Электромагнитная индукция. — Закон электромагнитной индукции

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

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

Зако́н электромагни́тной инду́кции Фараде́я является основным законом электродинамики, касающимся принципов работы трансформаторов,дросселей, многих видов электродвигателей и генераторов. Закон гласит:

• Для любого замкнутого контура индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур.

или другими словами:

• Генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея: 

где

 — электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,

  — магнитный поток через поверхность, натянутую на этот контур.

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

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

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

где

 — электродвижущая сила,

 — число витков,

 — магнитный поток через один виток,

 — потокосцепление катушки.

Информация взята с http://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_электромагнитной_индукции_

Закон электромагнитной индукции Фарадея: значение, задачи, формулы

Что может быть лучше, чем вечером понедельника почитать про основы электродинамики. Правильно, можно найти множество вещей, которые будут лучше. Тем не менее, мы все равно предлагаем Вам прочесть эту статью. Времени занимает не много, а полезная информация останется в подсознании. Например, на экзамене, в условиях стресса, можно будет  успешно извлечь из недр памяти закон Фарадея. Так как законов Фарадея несколько, уточним, что здесь мы говорим о законе индукции Фарадея.

Электродинамика – раздел физики, изучающий электромагнитное поле во всех его проявлениях.

Это и взаимодействие электрического и магнитного полей, электрический ток, электро-магнитное излучение, влияние поля на заряженные тела.

Здесь мы не ставим целью рассмотреть всю электродинамику. Упаси Боже! Рассмотрим лучше один из основных ее законов, который называется

законом электромагнитной индукции Фарадея.

 

Майкл Фарадей (1791-1867)

 

История и определение

Фарадей, параллельно с Генри, открыл явление электромагнитной индукции в 1831 году. Правда, успел опубликовать результаты раньше. Закон Фарадея повсеместно используется в технике, в электродвигателях, трансформаторах, генераторах и дросселях. В чем суть закона Фарадея для электромагнитной индукции, если говорить просто? А вот в чем!

При изменении магнитного потока через замкнутый проводящий контур, в контуре возникает электрический ток. То есть, если мы скрутим из проволоки рамку и поместим ее в изменяющееся магнитное поле (возьмем магнит, и будем крутить его вокруг рамки), по рамке потечет ток!

 

Рамка в поле

 

Этот ток Фарадей назвал индукционным, а само явление окрестил электромагнитной индукцией.

Электромагнитная индукция – возникновение в замкнутом контуре электрического тока при изменении магнитного потока, проходящего через контур.

Формулировка основного закона электродинамики – закона электромагнитной индукции Фарадея, выглядит и звучит следующим образом:

ЭДС, возникающая в контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф через контур.

А откуда в формуле минус, спросите Вы. Для объяснения знака минус в этой формуле есть специальное

правило Ленца. Оно гласит, что знак минус, в данном случае, указывает на то, как направлена возникающая ЭДС. Дело в том, что создаваемое индукционным током магнитное поле направлено так, что препятствует изменению магнитного потока, который вызвал индукционный ток.

Для определения направления индукционного тока применяется знаменитое правило буравчика, или правило правой руки, оно же правило правого винта. Если ладонь правой руки расположить так, чтобы в неё входили силовые линии магнитного поля, а отогнутый большой палец направить по движению проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока. 

 

Правило правой руки

 

Примеры решения задач

Вот вроде бы и все. Значение закона Фарадея фундаментально, ведь на использовании данного закона построена основа почти всей электрической промышленности. Чтобы понимание пришло быстрее, рассмотрим пример решения задачи на закон Фарадея.

И помните, друзья! Если задача засела, как кость в горле, и нет больше сил ее терпеть — обратитесь к нашим авторам! Теперь вы знаете где заказать курсовую работу. Мы быстро предоставим подробное решение и разъясним все вопросы!

Автор: Иван

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Законы электромагнитной индукции Фарадея • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

После того как в начале XIX века было установлено, что электрические токи порождают магнитные поля (см. Открытие Эрстеда, Закон Био—Савара), ученые заподозрили, что должна наблюдаться и обратная закономерность: магнитные поля должны каким-то образом производить электрические эффекты. В 1822 году в своей записной книжке Майкл Фарадей записал, что должен найти способ «превратить магнетизм в электричество». На решение этой задачи у него ушло почти десять лет.

Не раз за эти годы он возвращался к этой проблеме, пока не придумал серию экспериментов, кажущихся крайне незамысловатым по современным меркам. На железную катушку в форме бублика, например, он с одной стороны намотал плотные витки длинного, заизолированного от железного сердечника проводника, подключаемые к сильной электрической батарее, а с другой — плотные витки электрического проводника, подключенного к

гальванометру — прибору для обнаружения электрического тока. Железный сердечник был нужен для «поимки» силовых линий образующегося магнитного поля и передачи их внутрь контура второй обмотки.

Первые результаты пришли не сразу. Сначала, сколько Фарадей ни наблюдал за своей установкой, при протекании электрического тока по первичной обмотке тока во вторичной обмотке не возбуждалось. Могло показаться, что предположения Фарадея относительно «преобразования» электричества в магнетизм и обратно ошибочны. И тут на помощь пришел случай: обнаружилось, к полному удивлению Фарадея, что стрелка гальванометра в цепи вторичной обмотки скачкообразно отклоняется от нулевого положения лишь при подключении или отключении батареи. И тогда Фарадея посетило великое прозрение: электрическое поле возбуждается лишь при

изменении магнитного поля. Самого по себе присутствия магнитного поля недостаточно. Сегодня эффект возникновения электрического поля при изменении магнитного физики называют электромагнитной индукцией.

Повторяя свои опыты и анализируя результаты, Фарадей вскоре пришел к выводу, что протекающий по контуру электрический заряд пропорционален изменению т. н.

магнитного потока, проходящего через него. Представьте себе, что замкнутый электропроводящий контур положен на лист бумаги, через который проходят силовые линии магнитного поля. Магнитным потоком называется произведение площади контура на напряженность (условно говоря, число силовых линий) магнитного поля, проходящего через эту площадь перпендикулярно ей. В первоначальной формулировке закон электромагнитной индукции Фарадея гласил, что при изменении магнитного потока, проходящего через контур, по проводящему контуру протекает электрический заряд, пропорциональный изменению магнитного потока, который возбуждается без всякого внешнего источника питания типа электрической батареи. Не будучи до конца удовлетворенным формулировкой, в которой фигурировала столь трудноизмеримая величина, как электрический заряд, Фарадей вскоре объединил свой закон с законом Ома и получил формулу (иногда ее принято называть вторым законом электромагнитной индукции Фарадея) для определения электродвижущей силы, возникающей в результате изменения магнитного потока через контур.

Изменить магнитный поток через контур можно тремя способами:

• изменить площадь контура;
• изменить интенсивность магнитного поля;
• изменить взаимную ориентацию магнитного поля и плоскости, в которой лежит контур.

Последний метод работает, поскольку при таком движении изменяется проекция магнитного поля на перпендикуляр к площади контура, хотя ни напряженность магнитного поля, ни площадь контура не меняются. Это очень важно с практической точки зрения, поскольку именно это явление лежит в основе действия любого электрогенератора. В самом простом варианте генератора проволочный контур вращается между полюсами сильного магнита. Поскольку в процессе вращения магнитный поток, проходящий через контур, постоянно меняется, по нему всё время протекает электрический ток. Согласно правилу Ленца, на протяжении одного полуоборота контура ток будет течь в одну сторону, а на протяжении следующего полуоборота — в другую. Собственно, по этому принципу и вырабатывается так хорошо нам знакомый переменный ток, который поступает в дома жителей всего мира по сетям энергоснабжения. И не важно, что частота его в Америке равна 60 герц, а в Европе — 50 герц; важен сам принцип его получения. А тот факт, что американские генераторы совершают 60 оборотов в секунду, а европейские — 50 оборотов в секунду, — это уже дань исторической традиции.

Электрогенераторы играли, играют и будут играть важнейшую роль в развитии нашей технологической цивилизации, поскольку позволяют получать энергию в одном месте, а использовать ее в другом. Паровая машина, например, может преобразовывать энергию сгорания угля в полезную работу, но использовать эту энергию можно только там, где установлены угольная топка и паровой котел. Электростанция же может размещаться весьма далеко от потребителей электроэнергии — и, тем не менее, снабжать ею заводы, дома и т. п.

Рассказывают (скорее всего, это всего лишь красивая сказка), будто Фарадей, демонстрировал прототип электрогенератора Джону Пилу (John Peel), Канцлеру казначейства Великобритании, и тот спросил ученого: «Хорошо, мистер Фарадей, всё это очень интересно, а какой от всего этого толк?»

«Какой толк? — якобы удивился Фарадей. — Да вы знаете, сэр, сколько налогов в казну эта штука со временем будет приносить?!»

См. также:

Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца

В 1831 году английский ученый физик в своих опытах М.Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Затем изучением этого явления занимались русские ученый Э.Х. Ленц и Б.С.Якоби.

В настоящее время, в основе многих устройств лежит явление электромагнитной индукции, например в двигателе или генераторе электрического тока тока, в трансформаторах, радиоприемниках, и многих других устройствах.

Электромагнитная индукция — это явление возникновения тока в замкнутом проводнике, при прохождении через него магнитного потока. То есть, благодаря этому явлению мы можем преобразовывать механическую энергию в электрическую — и это замечательно. Ведь до открытия этого явления люди не знали о методах получения электрического тока, кроме гальваники.

Когда проводник оказывается под действием магнитного поля, в нем возникает ЭДС, которую количественно можно выразить через закон электромагнитной индукции.

Закон электромагнитной индукции

Электродвижущая сила, индуцируемая в проводящем контуре, равна скорости изменения магнитного потока, сцепляющегося с этим контуром. 

В катушке, которая имеет несколько витков, общая ЭДС зависит от количества витков n: 

Но в общем случае, применяют формулу ЭДС с общим потокосцеплением: 

ЭДС возбуждаемая в контуре, создает ток. Наиболее простым примером появления тока в  проводнике является катушка, через которую проходит постоянный магнит. Направление индуцируемого тока можно определить с помощью правила Ленца.

 

Правило Ленца

Ток, индуцируемый при изменении магнитного поля проходящего через контур, своим магнитным полем препятствует этому изменению.

 

В том случае, когда мы вводим магнит в катушку, магнитный поток в контуре увеличивается, а значит магнитное поле, создаваемое индуцируемым током, по правилу Ленца, направлено против увеличения поля магнита. Чтобы определить направление тока, нужно посмотреть на магнит со стороны северного полюса. С этой позиции мы будем вкручивать буравчик по направлению магнитного поля тока, то есть навстречу северному полюсу. Ток будет двигаться по направлению вращения буравчика, то есть по часовой стрелке.

В том случае, когда мы выводим магнит из катушки, магнитный поток в контуре уменьшается, а значит магнитное поле, создаваемое индуцируемым током, направлено против уменьшения поля магнита. Чтобы определить направление тока, нужно выкручивать буравчик, направление вращения буравчика укажет направление тока в проводнике – против часовой стрелки.

Рекомендуем к прочтению — закон Ампера 

Просмотров: 24827

Закон Фарадея для электромагнитной индукции в трансформаторах

Электричество обладает способностью генерировать магнитное поле. В 1831 году М. Фарадей ввел понятие электромагнитная индукция. Он смог получить в закрытой системе проводников электричество, появляющееся при изменении показателей магнитного потока. Формула закона Фарадея дала толчок для развития электродинамики.

История развития

После доказательства закона электромагнитной индукции английским ученым М. Фарадеем над открытием работали российские ученые Э. Ленц и Б. Якоби. Благодаря их трудам, сегодня разработанный принцип положен в основу функционирования многих приборов и механизмов.

Основными агрегатами, в которых применяется закон электромагнитной индукции Фарадея, являются двигатель, трансформатор и множество иных приборов.

Индукцией электромагнитно именуется индуцирование в замкнутой проводящей системе электрического тока. Такое явление становится возможным при физическом передвижении через проводниковую систему магнитного поля. Механическое действие влечет за собой появление электричества. Его принято называть индукционным. До открытия закона Фарадея человечество не знало об иных способах создания электричества, кроме гальваники.

Если сквозь проводник пропустить магнитное поле, в нем будет возникать ЭДС индукции. Ее еще именуют электродвижущей силой. При помощи этого открытия удается представить в количественном выражении показатель.

Опытное доказательство

Проводя свои исследования, английский ученый установил, что индукционный ток получается одним из двух способов. В первом опыте он появляется при движении рамки в магнитном поле, создаваемом неподвижной катушкой. Второй способ предполагает неподвижное положение рамки. В этом эксперименте изменяется только поле катушки при ее движении или изменении силы тока в ней.

Опыты Фарадея привели исследователя к выводу, что при генерировании индукционного тока провоцируется увеличением или уменьшением магнитного потока в системе. Также опыты Фарадея позволили утверждать, что значение электричества, полученного опытным путем, не зависит от методологии, которой был изменен поток магнитной индукции. На показатель влияет только скорость такого изменения.

Количественное выражение

Установить количественное значение явления электромагнитной индукции позволяет закон Фарадея. Он гласит, что ЭДС, определяющаяся в системе, меняет значение пропорционально скорости перемещения потока в проводнике. Формула будет иметь такой вид:

Отрицательный знак свидетельствует о том, что ЭДС препятствует появлению изменений внутри контура. Для решения некоторых задач отрицательный знак в формуле не ставят. В этом случае результат записывают в виде модуля.

Система может включать в себя несколько витков. Количество их обозначается латинской буквой N. Все элементы контура пронизываются единым магнитным потоком. ЭДС индукции будет рассчитываться так:

Понятным примером воссоздания электричества в проводнике считается катушка, сквозь которую перемещается постоянный магнит.

Работа Э. Ленца

Направленность индукционного тока предоставляет возможность определить правило Ленца. Краткая формулировка звучит достаточно просто. Появляющийся при изменении показателей поля проводникового контура ток, препятствует благодаря своему магнитному полю такому изменению.

Если в катушку постепенно вводить магнит, в ней повышается уровень магнитного потока. Согласно правилу Ленца, магнитное поле будет иметь направление противоположное увеличению поля магнита. Чтобы понять эту направленность, необходимо смотреть на магнит с северной стороны. Отсюда будет вкручиваться буравчик навстречу северному полюсу. Ток будет перемещаться в сторону движения часовой стрелки.

Если магнит выводится из системы, магнитный поток в ней уменьшится. Чтобы установить направление тока, выкручивается буравчик. Вращения будет направлено в обратную сторону перемещения по циферблату часовой стрелки.

Формулировки Ленца приобретают большое значение для системы с контуром замкнутого типа и отсутствующим сопротивлением. Его принято именовать идеальным контуром. По правилу Ленца, в нем невозможно увеличить или уменьшить магнитный поток.

Понятие самоиндукции

Генерация индукции в идеальной системе, которое имеет место при падении или возрастании электричества в проводнике, именуется самоиндукцией.

Закон Фарадея для самоиндукции выражается равенством, когда при изменении электричества не произошло иных изменений:

где е – ЭДС, L – индуктивность закрытой катушки, ΔI/Δt – скорость, с которой происходят изменения силы тока.

Индуктивность

Отношение, которое показывает пропорциональность между такими категориями, как сила тока в проводящей системе и магнитным потоком именуется индуктивностью. На показатель имеет влияние физические габариты катушки и магнитные характеристики среды. Отношение описывается формулой:

Движущееся в контуре электричество провоцирует появление магнитного поля. Оно пронизывает собственный проводник и влечет появление своего потока сквозь контур. Причем собственный поток пропорционален электричеству, которая его порождает:

Фс = L*I

Значение индуктивности также формируется из закона Фарадея.

Недвижимая система

Сила Лоренца объясняет возникновение ЭДС при движении системы в поле со значением постоянным. Индукционная ЭДС имеет способность возникать и при неподвижной проводящей системе, находящейся в переменном магнитном поле. Сила Лоренца в таком примере не способна объяснить появление ЭДС индукции.

Максвелл для проводящих систем неподвижного типа предложил применять особое уравнение. Оно объясняет возникновение в таких системах ЭДС. Главным принципом закона Фарадея-Максвелла является факт, что переменное поле образует в пространстве вокруг себя электрическое поле. Оно выступает фактором, провоцирующим появление тока индукции в недвижимой системе. Перемещение вектора (Е) по стационарным контурам (L) является ЭДС:

При наличии тока переменного значения законы Фарадея водятся в уравнения Максвелла. Причем они могут быть представлены как в дифференциальной форме, так и в виде интегралов.

Труды в области электролиза

При использовании законов Фарадея описываются закономерности, которые существуют при электролизе. Этот процесс заключается в превращении веществ с разнообразными характеристиками. Это происходит при движении электричества сквозь электролит.

Эти закономерности были доказаны М. Фарадеем в 1834 году. Первое утверждение гласит, что масса вещества, которое образуется на электроде, меняется соответственно заряду, перемещенному сквозь электролит.

Второе утверждение гласит, что эквиваленты компонентов с разными характеристиками пропорциональны химическим эквивалентам этих компонентов.

Оба представленных утверждения совмещаются в объединенный закон Фарадея. Из него следует, что число Фарадея будет равняться электричеству, способному выделить на электролите 1 моль вещества. Ее рассчитывают на единицу валентности. Именно по объединенной формуле в далеком 1874 году был вычислен заряд электрона.

Законы электролиза, установленные Фарадеем, тестировались при различном значении тока, температуры, давления, а также при одновременном выделении двух и более веществ. Электролиз также проводился в разных расплавах и растворителях. Концентрация электролита также отличалась в разных опытах. При этом иногда наблюдались небольшие отклонения от закона Фарадея. Они объясняются электронной проводимостью электролитов, которая определяется наравне с ионной проводимостью.

Открытия, сделанные английским физиком М. Фарадеем, позволили описать множество явлений. Его законы являются основой современной электродинамики. По этому принципу функционирует различное современное оборудование.

Закон Фарадея: формула для электромагнитной индукции

Майкл Фарадей (1791-1867) родился в Англии и жил, можно сказать, для изучения физики и химии. Он считается основателем концепции об электромагнитном поле и автором закона электромагнитной индукции, а также первооткрывателем формулы электромагнитной индукции.

Данное направление физики дало старт к промышленному производству электричества. Подтолкнуло его к этому открытие, которое совершил Эрстед. В нем доказано, что при запуске тока через прямой передатчик вокруг этого передатчика возникает магнитное поле.

Фарадей задумался над обратным эффектом, где магнитное поле, в котором проводник в замкнутом состоянии, может продуцировать ток.

Опыты Фарадея на пути к открытию

Фарадей — один из самых значимых физиков в истории

На протяжении десяти лет он пытался доказать свою теорию. И в 1831 году Фарадей провел ряд удачных опытов, которые служили безупречным доказательством.

Фарадей разместил на основании из дерева две катушки, обозначим их катушкой А и катушкой Б.

Обмотка катушки Б была изолирована, располагалась между обмоткой катушки А.

Катушка А была подключена к гальванической батарее, а катушка Б к гальванометру, чтобы измерить движение токов.

В итоге сформировались две независимые цепи гальваническая батарея — Катушка А и Катушка Б — гальванометр.

Обмотки катушек ничем не были соединены между собой, существовало только магнитное поле продуцируемое катушкой А, которое охватывало катушку Б.

Как только замыкали катушку А, гальванометр показывал незначительный электрический импульс. В дальнейшем, при постоянном токе в катушке А, гальванометр не показывал никаких изменений в катушке Б.

Но как только цепь в катушке А размыкалась, гальванометр опять фиксировал импульс тока в катушке Б, который двигался в обратном направлении.

Данный опыт позволил Фарадею сделать выводы о том, что магнитное поле катушки А, которое меняется относительно времени, рождает электрический ток в катушке Б.

Появление тока в данных условиях определяется как индукция, поэтому ток считается индукционным.

Примечательно, при росте магнитного поля, в случае, когда цепь с катушкой А активна, электрический ток в катушке Б движется в одном направлении, а когда магнитное поле слабеет, во время отключения цепи с катушкой А, ток движется в противоположную сторону.

Возникновение электричества с помощью магнетизма Фарадей определил как явление электромагнитной индукции.

Чтобы убедиться в том, что источник возникновения тока — это переменное магнитное поле, Фарадей двигал катушки по отношению друг к другу, при этом ток в катушке А был постоянным, а за счет движения, Катушка Б была в переменном магнитном поле и индуцировала электрический ток.

Исходя из этого опыта он сделал вывод — с увеличением скорости движения катушки, увеличивалась сила индукционного тока.

Затем катушка А была заменена источником высокой остаточной магнитной индукцией — магнитом, и Фарадей подтвердил опыт со сближением и удалением Катушки Б, которая подключена к гальванометру.

Как и в предыдущем опыте, гальванометр показал ток, который двигался в одном направлении при сближении с магнитом и менял направление на противоположное при отдалении от магнита.

И вновь сила тока увеличивалась при увеличении скорости движения катушки.

После этих опытов Фарадей пришел к выводу, что на возникновение индукционного тока влияет изменение количества линий магнитного поля, через которое проходит катушка.

Иначе говоря, чем больше магнитных линий будет пройдено через катушку Б за короткий промежуток времени, тем выше сила индукционного тока. Число линий, которые проходят через ограниченную площадь проводника определяется как магнитный поток.

Чем выше индукция, тем больше линий магнитного потока, и если умножить их на площадь проводника, учитывая угол наклона к плоскости проводника, можно вычислить магнитный поток.

Формула электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции дал старт разработкам генераторов

Зная все критерии опыта, можно определить что такое электромагнитная индукция.

Электромагнитная индукция — это появление электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного потока, который проходит через проводник.

Главное определение закона электродинамики Фарадей определил так:

Электродвижущая сила, которая возникла в проводнике, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через проводник.

ε = -df/ dt

ε — это электродвижущая сила

df — дифференциальная величина электромагнитного потока,

dt — дифференциальная величина времени прохождения потока через контур

Знак «-» в формуле появился после определения правила Ленца. Он выяснил, что индукционный поток всегда противодействует причине, которая его вызывает.

Формулу можно применять как в ситуации с неподвижным контуром, так и при движении проводников в магнитном поле.

Входящая в нее производная от магнитного потока по времени в общем случае включает в себя две части, первая часть определена переменой магнитной индукции во времени, а вторая – движением проводника по отношению к магнитному полю.

Закон электромагнитной индукции дал старт разработкам генераторов, которые устроены наподобие опытов Фарадея:

• ротор, который двигается;
• статор, находящийся в неизменном положении;
• возникшее между ними электромагнитное поле.

Через обмотку статор проходит электрический ток, который вырабатывает магнитное поле, это поле влияет на магнитное поле ротора, под действием этой силы раскручивается вал.

В этом видео вы увидите целый урок на тему закона Фарадея для электромагнитной индукции:

Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter, чтобы сообщить нам.

формулировка закона Фарадея, физическая формула

Возникновение электродвижущей силы индукции было важнейшим открытием в области физики. Оно явилось основополагающим для развития технического применения этого явления.

Майкл Фарадей

История

В 20-е годы 19-го века датчанин Эрстед наблюдал за отклонением магнитной стрелки при расположении ее рядом с проводником, по которому протекал электроток.

Это явление захотел исследовать ближе Майкл Фарадей. С большим упорством он преследовал свою цель – преобразовать магнетизм в электричество.

Первые опыты Фарадея принесли ему ряд неудач, так как он изначально считал, что значительный постоянный ток в одном контуре может сгенерировать ток в рядом находящемся контуре при условии отсутствия электрической связи между ними.

Исследователь видоизменил эксперименты, и в 1831 году они увенчались успехом. Опыты Фарадея начинались с наматывания медной проволоки вокруг бумажной трубки и соединения ее концов с гальванометром. Затем ученый погружал магнит внутрь катушки и замечал, что стрелка гальванометра давала мгновенное отклонение, показывая, что в катушке был индуцирован ток. После вынимания магнита наблюдалось отклонение стрелки в противоположном направлении. Вскоре в ходе других экспериментов он заметил, что в момент подачи и снятия напряжения с одной катушки появляется ток в рядом находящейся катушке. Обе катушки имели общий магнитопровод.

Опыты Фарадея

Многочисленные опыты Фарадея с другими катушками и магнитами были продолжены, и исследователь установил, что сила индуцированного тока зависит от:

• количества витков в катушке;
• силы магнита;
• скорости, с которой магнит погружался в катушку.

Термин «электромагнитная индукция» (эми) относится к явлению, что ЭДС генерируется в проводнике переменным внешним магнитным полем.

Формулирование закона электромагнитной индукции

Словесная формулировка закона электромагнитной индукции: индуцированная электродвижущая сила в любом замкнутом контуре равна отрицательной временной скорости изменения магнитного потока, заключенного в цепь.

Это определение математически выражает формула:

Е = — ΔΦ/ Δt,

где Ф = В х S, с плотностью магнитного потока В и площадью S, которую пересекает перпендикулярно магнитный поток.

Дополнительная информация. Существуют два разных подхода к индукции. Первый – объясняет индукцию с помощью силы Лоренца и ее действия на движущийся электрозаряд. Однако в определенных ситуациях, таких как магнитное экранирование или униполярная индукция, могут возникнуть проблемы в понимании физического процесса. Вторая теория использует методы теории поля и объясняет процесс индукции с помощью переменных магнитных потоков и связанных с ними плотностей этих потоков.

Физический смысл закона электромагнитной индукции формулируется в трех положениях:

1. Изменение внешнего МП в катушке провода индуцирует в ней напряжение. При замкнутой проводящей электроцепи индуцированный ток начинает циркулировать по проводнику;
2. Величина индуцированного напряжения соответствует скорости изменения магнитного потока, связанного с катушкой;
3. Направление индукционной ЭДС всегда противоположно причине, ее вызвавшей.

Закон электромагнитной индукции

Важно! Формула для закона электромагнитной индукции применяется в общем случае. Не существует известной формы индукции, которая не может быть объяснена изменением магнитного потока.

ЭДС индукции в проводнике

Для расчета индукционного напряжения в проводнике, который движется в МП, применяют другую формулу:

E = — B x l x v х sin α, где:

• В – индукция;
• l – протяженность проводника;
• v – скорость его движения;
• α – угол, образованный направлением перемещения и векторным направлением магнитной индукции.

Важно! Способ определения, куда направлен индукционный ток, создающийся в проводнике: располагая правую руку ладонью перпендикулярно вхождению силовых линий МП и, отведенным большим пальцем указывая направление перемещения проводника, узнаем направление тока в нем по распрямленным четырем пальцам.

Правило правой руки

Законы электролиза

Исторические опыты Фарадея в 1833 году были связаны и с электролизом. Он брал пробирку с двумя платиновыми электродами, погруженными в растворенный хлорид олова, нагретый спиртовой лампой. Хлор выделялся на положительном электроде, а олово – на отрицательном. Затем он взвешивал выделившееся олово.

В других опытах исследователь соединял емкости с разными электролитами последовательно и замерял количество осаждающегося вещества.

На основании этих экспериментов формулируются два закона электролиза:

1. Первый из них: масса вещества, выделяемого на электроде, прямо пропорциональна количеству электричества, пропускаемого через электролит. Математически это записывают так:

m = K x q, где К – константа пропорциональности, называемая электрохимическим эквивалентом.

Сформулируйте его определение, как масса вещества в г, высвобождаемая на электроде при прохождении тока в 1 А за 1 с либо при прохождении 1 Кл электричества;

Первый закон электролиза

2. Второй закон Фарадея гласит: если одинаковое количество электричества пропускается через разные электролиты, то количество веществ, высвобождаемых на соответствующих электродах, прямо пропорционально их химическому эквиваленту (химический эквивалент металла получается путем деления его молярной массы на валентность – M/z).

Для второго закона электролиза используется запись:

К = 1/F x M/z.

Здесь F – постоянная Фарадея, которая определяется зарядом 1 моля электронов:

F = Na (число Авогадро) х e (элементарный электрозаряд) = 96485 Кл/моль.

Запишите другое выражение для второго закона Фарадея:

m1/m2 = К1/К2.

Второй закон электролиза

Например, если взять две соединенных последовательно электролитических емкости, содержащие раствор AgNO 3 и CuSO 4, и пропустить через них одинаковое количество электричества, то соотношение массы осажденной меди на катоде одной емкости к массе осажденного серебра на катоде другой емкости будет равно отношению их химических эквивалентов. Для меди это – 63,5/2, для серебра – 108/1, значит:

m1/m2 = 63,5/(2 х 108).

Теория электромагнетизма со времен Фарадея продолжала развиваться. В середине 20-го века для закона индукции была применена формулировка в рамках квантовой теории электромагнитных полей – квантовой электродинамики. Сегодня, благодаря большой технической области использования, она представляет собой одну из наиболее точных физических теорий, проверенных посредством экспериментов.

Видео

Оцените статью:

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 МАГНЕТИЗМУ 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 поддерживается 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 .: 2174733

Электромагнитная индукция и закон Фарадея

Электромагнитная индукция (также известный как закон электромагнитной индукции Фарадея или просто индукция , но не путать с индуктивными рассуждениями) — это процесс, при котором проводник помещается в изменяющееся магнитное поле (или проводник движется через стационарное магнитное поле) вызывает образование напряжения на проводнике.Этот процесс электромагнитной индукции, в свою очередь, вызывает электрический ток — говорят, что индуцирует ток.

Открытие электромагнитной индукции

Майклу Фарадею приписывают открытие электромагнитной индукции в 1831 году, хотя некоторые другие отмечали подобное поведение в годы до этого. Формальное название физического уравнения, которое определяет поведение индуцированного электромагнитного поля от магнитного потока (изменение магнитного поля), — это закон электромагнитной индукции Фарадея.

Процесс электромагнитной индукции также работает в обратном направлении, так что движущийся электрический заряд генерирует магнитное поле. Фактически, традиционный магнит — это результат индивидуального движения электронов внутри отдельных атомов магнита, выровненных таким образом, что генерируемое магнитное поле имеет однородное направление. В немагнитных материалах электроны движутся таким образом, что отдельные магнитные поля указывают в разных направлениях, поэтому они компенсируют друг друга, и генерируемое суммарное магнитное поле незначительно.

Уравнение Максвелла-Фарадея

Более обобщенное уравнение — это одно из уравнений Максвелла, называемое уравнением Максвелла-Фарадея, которое определяет взаимосвязь между изменениями электрических и магнитных полей. Он принимает форму:

∇ × E = — ∂ B / ∂t

где обозначение ∇ × известно как операция скручивания, E — электрическое поле (векторная величина), а B — магнитное поле (также векторная величина).Символы ∂ представляют собой частные дифференциалы, поэтому правая часть уравнения представляет собой отрицательный частный дифференциал магнитного поля по времени. И E , и B изменяются во времени t , и поскольку они перемещаются, положение полей также изменяется.

Закон индукции Фарадея: Закон Ленца

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Рассчитайте ЭДС, ток и магнитные поля, используя закон Фарадея.
• Объясните физические результаты Закона Ленца.

Закон Фарадея и Ленца

Эксперименты Фарадея показали, что ЭДС, вызванная изменением магнитного потока, зависит только от нескольких факторов. Во-первых, ЭДС прямо пропорциональна изменению магнитного потока Δ Φ . Во-вторых, ЭДС является наибольшей, когда изменение во времени Δ t наименьшее, то есть ЭДС обратно пропорциональна Δ t . Наконец, если катушка имеет Н витков, будет создана ЭДС, которая в Н в раз больше, чем для одиночной катушки, так что ЭДС прямо пропорциональна Н .Уравнение для ЭДС, индуцированной изменением магнитного потока:

[латекс] \ text {emf} = — N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex].

Это соотношение известно как закон индукции Фарадея . Обычно единицами измерения ЭДС являются вольты. Знак минус в законе индукции Фарадея очень важен. Минус означает, что ЭДС создает ток I и магнитное поле B, которые препятствуют изменению потока Δ Φ — это известно как закон Ленца . Направление (обозначенное знаком минус) ЭДС настолько важно, что оно названо законом Ленца в честь русского Генриха Ленца (1804–1865), который, подобно Фарадею и Генри, независимо исследовал аспекты индукции.Фарадей знал о направлении, но Ленц так ясно изложил его, что ему приписывают его открытие. (См. Рисунок 1.)

Рис. 1. (a) Когда стержневой магнит вставляется в катушку, сила магнитного поля в катушке увеличивается. Ток, наведенный в катушке, создает другое поле в направлении, противоположном направлению стержневого магнита, чтобы противодействовать увеличению. Это один из аспектов закона Ленца: индукция препятствует любому изменению потока. (b) и (c) — две другие ситуации. Убедитесь сами, что показанное направление индуцированной катушки B действительно противодействует изменению магнитного потока и что показанное направление тока согласуется с RHR-2.

Стратегия решения проблем закона Ленца

Чтобы использовать закон Ленца для определения направлений индуцированных магнитных полей, токов и ЭДС:

1. Сделайте набросок ситуации для использования при визуализации и записи направлений.
2. Определите направление магнитного поля Б.
3. Определите, увеличивается или уменьшается поток.
4. Теперь определите направление индуцированного магнитного поля B. Оно противостоит изменению магнитного потока, добавляя или вычитая из исходного поля.
5. Используйте RHR-2, чтобы определить направление индуцированного тока I, ответственного за индуцированное магнитное поле B.
6. Направление (или полярность) наведенной ЭДС теперь будет управлять током в этом направлении и может быть представлено как ток, выходящий из положительной клеммы ЭДС и возвращающийся к ее отрицательной клемме.

Для практики примените эти шаги к ситуациям, показанным на Рисунке 1, и другим, которые являются частью следующего текстового материала.

Применение электромагнитной индукции

Существует множество применений закона индукции Фарадея, которые мы исследуем в этой и других главах. На этом этапе позвольте нам упомянуть несколько, которые связаны с хранением данных и магнитными полями. Очень важное приложение связано с записью аудио и видео на магнитные ленты . Пластиковая лента, покрытая оксидом железа, проходит мимо записывающей головки. Эта записывающая головка представляет собой круглое железное кольцо, вокруг которого намотана катушка с проволокой — электромагнит (рис. 2).Сигнал в виде переменного входного тока от микрофона или камеры поступает на записывающую головку. Эти сигналы (которые являются функцией амплитуды и частоты сигнала) создают переменные магнитные поля на записывающей головке. Когда лента движется мимо записывающей головки, ориентация магнитного поля молекул оксида железа на ленте изменяется, таким образом записывая сигнал. В режиме воспроизведения намагниченная лента проходит мимо другой головки, аналогичной по конструкции записывающей головке. Различная ориентация магнитного поля молекул оксида железа на ленте индуцирует ЭДС в проволочной катушке в воспроизводящей головке.Затем этот сигнал отправляется на громкоговоритель или видеоплеер.

Рис. 2. Головки записи и воспроизведения, используемые с аудио- и видеомагнитными лентами. (кредит: Стив Юрветсон)

Аналогичные принципы применимы к жестким дискам компьютера, но гораздо быстрее. Здесь записи находятся на вращающемся диске с покрытием. Исторически считывающие головки создавались по принципу индукции. Однако входная информация передается в цифровой, а не аналоговой форме — на вращающемся жестком диске записывается серия нулей или единиц.Сегодня большинство считывающих устройств с жестких дисков не работают по принципу индукции, а используют технологию, известную как гигантское магнитосопротивление . (Открытие того факта, что слабые изменения магнитного поля в тонкой пленке из железа и хрома могут вызывать гораздо большие изменения электрического сопротивления, было одним из первых крупных успехов нанотехнологии.) Еще одно применение индукции можно найти на магнитной полосе на магнитной полосе. на оборотной стороне вашей личной кредитной карты, которая использовалась в продуктовом магазине или в банкомате.Это работает по тому же принципу, что и аудио- или видеокассета, упомянутая в последнем абзаце, в которой голова считывает личную информацию с вашей карты.

Другое применение электромагнитной индукции — это когда электрические сигналы должны передаваться через барьер. Рассмотрим кохлеарный имплант , показанный ниже. Звук улавливается микрофоном на внешней стороне черепа и используется для создания переменного магнитного поля. Ток индуцируется в приемнике, закрепленном в кости под кожей, и передается на электроды во внутреннем ухе.Электромагнитная индукция может использоваться и в других случаях, когда электрические сигналы должны передаваться через различные среды.

Рис. 3. Электромагнитная индукция, используемая при передаче электрического тока через среды. Устройство на голове ребенка индуцирует электрический ток в приемнике, закрепленном в кости под кожей. (Источник: Бьорн Кнетч)

Еще одна современная область исследований, в которой электромагнитная индукция успешно реализуется (и имеет значительный потенциал), — это транскраниальное магнитное моделирование.Множество расстройств, включая депрессию и галлюцинации, можно объяснить нерегулярной локальной электрической активностью в головном мозге. В транскраниальной магнитной стимуляции быстро меняющееся и очень локализованное магнитное поле помещается рядом с определенными участками, идентифицированными в головном мозге. В идентифицированных участках индуцируются слабые электрические токи, которые могут привести к восстановлению электрических функций в тканях мозга.

Апноэ сна («остановка дыхания») поражает как взрослых, так и младенцев (особенно недоношенных детей, и это может быть причиной внезапной детской смерти [SID]).У таких людей дыхание может неоднократно останавливаться во время сна. Прекращение действия более чем на 20 секунд может быть очень опасным. Инсульт, сердечная недостаточность и усталость — вот лишь некоторые из возможных последствий для человека, страдающего апноэ во сне. У младенцев проблема заключается в задержке дыхания на это более длительное время. В одном из типов мониторов, предупреждающих родителей о том, что ребенок не дышит, используется электромагнитная индукция. В проводе, обмотанном вокруг груди младенца, проходит переменный ток. Расширение и сжатие грудной клетки младенца во время дыхания изменяет площадь спирали.В расположенной рядом катушке датчика индуцируется переменный ток из-за изменения магнитного поля исходного провода. Если ребенок перестанет дышать, наведенный ток изменится, и родители могут быть предупреждены.

Установление соединений: сохранение энергии

Закон Ленца является проявлением сохранения энергии. Индуцированная ЭДС создает ток, который противодействует изменению потока, потому что изменение потока означает изменение энергии.Энергия может входить или уходить, но не мгновенно. Закон Ленца — следствие. Когда изменение начинается, закон гласит, что индукция противодействует и, таким образом, замедляет изменение. Фактически, если бы индуцированная ЭДС была в том же направлении, что и изменение потока, была бы положительная обратная связь, которая не давала бы нам бесплатную энергию из любого видимого источника — закон сохранения энергии был бы нарушен.

Пример 1. Расчет ЭДС: насколько велика индуцированная ЭДС?

Рассчитайте величину наведенной ЭДС, когда магнит, изображенный на Рисунке 1 (а), вдавливается в катушку, учитывая следующую информацию: одноконтурная катушка имеет радиус 6.00 см, а среднее значение B cos θ (это дано, поскольку поле стержневого магнита сложное) увеличивается с 0,0500 Тл до 0,250 Тл за 0,100 с.

Стратегия

Чтобы найти величину ЭДС , мы используем закон индукции Фарадея, как указано в [latex] \ text {emf} = — N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex], но без знака минус, указывающего направление:

[латекс] \ text {emf} = N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex].

Решение

Нам дано, что N = 1 и Δ t = 0.100 с, но мы должны определить изменение потока Δ Φ , прежде чем мы сможем найти ЭДС. Поскольку площадь петли фиксирована, мы видим, что

ΔΦ = Δ ( BA cos θ ) = AΔ ( B cos θ ).

Теперь Δ ( B cos θ ) = 0,200 Тл, поскольку было задано, что B cos θ изменяется от 0,0500 до 0,250 Тл. Площадь контура A = πr2 = (3,14…) ( 0,060 м) ² = 1,13 × 10 ⁻² м ² .{2} \ right) \ left (0.200 \ text {T} \ right)} {0.100 \ text {s}} = 22.6 \ text {mV} \\ [/ latex].

Обсуждение

Хотя это напряжение легко измерить, его явно недостаточно для большинства практических приложений. Больше петель в катушке, более сильный магнит и более быстрое движение делают индукцию практическим источником напряжения, которым она и является.

Исследования PhET: Электромагнитная лаборатория Фарадея

Поиграйте с стержневым магнитом и катушками, чтобы узнать о законе Фарадея.Поднесите стержневой магнит к одной или двум катушкам, чтобы лампочка загорелась. Просмотрите силовые линии магнитного поля. Измеритель показывает направление и величину тока. Просмотрите силовые линии магнитного поля или используйте измеритель, чтобы показать направление и величину тока. Вы также можете играть с электромагнитами, генераторами и трансформаторами!

Щелкните, чтобы загрузить симуляцию. Запускать на Java.

Сводка раздела

Концептуальные вопросы

1. Человек, работающий с большими магнитами, иногда помещает голову в сильное поле.Она сообщает, что у нее кружится голова, когда она быстро поворачивает голову. Как это может быть связано с индукцией?
2. Ускоритель частиц отправляет заряженные частицы с высокой скоростью по откачанной трубе. Объясните, как катушка с проволокой, намотанная вокруг трубы, может обнаруживать прохождение отдельных частиц. Нарисуйте график выходного напряжения катушки при прохождении через нее одиночной частицы.

Задачи и упражнения

1. Как показано на Рисунке 5 (а), в каком направлении индуцируется ток в катушке 2: (а) Если ток в катушке 1 увеличивается? (b) Если ток в катушке 1 уменьшается? (c) Если ток в катушке 1 постоянный? Ясно покажите, как вы следуете шагам из приведенной выше стратегии решения проблем для закона Ленца .

Рис. 5. (a) Катушки лежат в одной плоскости. (б) Проволока находится в плоскости катушки.

2. Как показано на Рисунке 5 (b), каково направление тока, индуцируемого в катушке: (a) Если ток в проводе увеличивается? (б) Если ток в проводе уменьшится? (c) Если ток в проводе внезапно меняет направление? Ясно покажите, как вы следуете шагам из приведенной выше стратегии решения проблем для закона Ленца .

3. Как показано на рисунке 6, каковы направления токов в катушках 1, 2 и 3 (предположим, что катушки лежат в плоскости цепи): (a) Когда переключатель в первый раз замыкается? (б) Когда переключатель был замкнут в течение длительного времени? (c) Сразу после размыкания переключателя?

Рисунок 6.

4. Повторите предыдущую проблему с батареей в обратном порядке.

5. Убедитесь, что единицами измерения Δ Φ / Δ т являются вольты. То есть показать, что 1 Тл м ² / с = 1 В.

6. Предположим, катушка с 50 витками лежит в плоскости страницы в однородном магнитном поле, направленном внутрь страницы. Змеевик изначально имел площадь 0,250 м ² . Он растягивается, чтобы не было площади за 0,100 с. Каковы направление и величина наведенной ЭДС, если однородное магнитное поле имеет напряженность 1.50 т?

7. (a) Техник МРТ перемещает свою руку из области очень низкой напряженности магнитного поля в поле 2,00 Тл сканера МРТ, указывая пальцами в направлении поля. Найдите среднюю ЭДС, индуцированную в его обручальном кольце, учитывая его диаметр 2,20 см и предполагая, что для его перемещения в поле требуется 0,250 с. (б) Обсудите, может ли этот ток существенно изменить температуру кольца.

8. Integrated Concepts Обратимся к ситуации в предыдущей задаче: (a) Какой ток индуцируется в кольце, если его сопротивление равно 0.0100 Ом? (б) Какая средняя мощность рассеивается? (c) Какое магнитное поле индуцируется в центре кольца? (d) Каково направление индуцированного магнитного поля относительно поля МРТ?

9. ЭДС индуцируется вращением катушки с 1000 витками диаметром 20,0 см в магнитном поле Земли 5,00 × 10 ⁻⁵ Тл. Какая средняя ЭДС индуцируется, если плоскость катушки изначально перпендикулярна полю Земли и повернута параллельно полю за 10,0 мс?

10.Катушка с 500 витками радиусом 0,250 м поворачивается на одну четверть оборота за 4,17 мс, первоначально ее плоскость перпендикулярна однородному магнитному полю. (Это 60 об / с.) Найдите напряженность магнитного поля, необходимую для индукции средней ЭДС 10 000 В.

11. Integrated Concepts Примерно как ЭДС, индуцированная в петле на рисунке 5 (b), зависит от расстояния центра петли от провода?

12. Комплексные концепции (a) Молния создает быстро меняющееся магнитное поле.Если болт ударяется о землю вертикально и действует как ток в длинном прямом проводе, он вызывает напряжение в петле, выровненной, как показано на рисунке 5 (b). Какое напряжение индуцируется в петле диаметром 50,0 м 1,00 м от удара молнии 2,00 × 10 6 , если ток падает до нуля за 25,0 мкс? (б) Обсудите обстоятельства, при которых такое напряжение может привести к заметным последствиям.

Глоссарий

Закон индукции Фарадея:

средство вычисления ЭДС в катушке из-за изменения магнитного потока, заданное как [latex] \ text {emf} = — N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex]

Закон Ленца:

знак минус в законе Фарадея, означающий, что ЭДС, индуцированная в катушке, противодействует изменению магнитного потока

Избранные решения проблем и упражнения

1.(a) CCW (b) CW (c) Отсутствие индуцированного тока

3. (a) 1 против часовой стрелки, 2 против часовой стрелки, 3 против часовой стрелки (b) 1, 2 и 3 без тока индуцированного (c) 1 CW, 2 CW, 3 CCW

7. (a) 3,04 мВ (b) В качестве нижнего предела для кольца, оценка R = 1,00 мОм. Передаваемое тепло составит 2,31 мДж. Это небольшое количество тепла.

9. 0,157 В

11. пропорционально [латексу] \ frac {1} {r} \\ [/ latex]

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

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

Физический факультет Университета Суррея, Гилфорд, Суррей, Великобритания

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

Abstract

История науки наполнена примерами ключевых открытий и прорывов, которые были опубликованы в виде знаковых текстов или журнальных статей, и по которым можно проследить истоки целых дисциплин.К таким публикациям, меняющим парадигму, относятся De Revolutionibus orbium coelestium Коперника (1543), Philosophi Naturalis Principia Mathematica Исаака Ньютона (1687) и статьи Альберта Эйнштейна по теории относительности (1905 и 1915). Статья Майкла Фарадея 1832 года об электромагнитной индукции гордо стоит среди этих работ и в некотором смысле может рассматриваться как оказавшая почти немедленное влияние на преобразование нашего мира в самом реальном смысле больше, чем любая из других перечисленных. Здесь мы рассматриваем статус предмета — взаимосвязь между магнетизмом и электричеством как до, так и после статьи Фарадея, и углубляемся в детали ключевых экспериментов, которые он проводил в Королевском институте, четко описывая, как он открыл процесс электромагнитной индукции, посредством чего электрический ток может протекать через проводник, который испытывает изменяющееся магнитное поле.Его идеи не только позволили бы Максвеллу позже развить его теорию классического электромагнетизма, но и непосредственно привели бы к развитию электрического динамо и электродвигателя, двух технологических достижений, которые являются самой основой современного мира. Этот комментарий был написан в ознаменование 350-летия журнала Philosophical Transactions of the Royal Society .

Ключевые слова: электромагнетизм, индукция, динамо-машина, электродвигатель

1.Электромагнетизм до Фарадея

Начало девятнадцатого века было захватывающим временем для экспериментальной физики. Это было также время большой неразберихи в природе электричества. Работа двух итальянцев, Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта по характеристикам биоэлектричества привела к тому, что Вольта изобрел батарею в 1799 году. Его «гальваническая батарея» внезапно дала натурфилософам (термин «ученые» появился только в 1834 году ¹ ), надежный и гораздо более полезный источник электричества, чем лейденские банки или все более совершенные электростатические машины, и превратил предмет из интеллектуального любопытства в настоящую науку.В самом прямом смысле слова стимулировали науку , которая, конечно же, является источником этого повседневного слова.

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

Затем, в 1820 году, датский ученый Ганс Кристиан Эрстед провел эксперимент, в котором ему приписывают открытие электромагнетизма.21 апреля 1820 года он заметил, готовясь к лекции, что, когда он пропустил электрический ток по проводу, расположенная рядом стрелка компаса временно отклонилась от своего стабильного положения, указывающего на магнитный север. Это произошло в тот момент, когда ток от батареи был включен, а затем снова, когда он был выключен, тем самым подтверждая прямую связь между электричеством и магнетизмом, а именно то, что изменение электрического тока (с нулевого на текущий и наоборот ) создавал временный магнитный эффект в непосредственной близости от него.

Описание открытия Эрстеда содержится в письме, которое его коллега Кристофер Ханстин написал Майклу Фарадею много лет спустя:

Эрстед попытался разместить провод своей гальванической батареи перпендикулярно (под прямым углом) над магнитной иглой, но не заметил заметного движения. Однажды, после окончания своей лекции, поскольку он использовал сильную гальваническую батарею для других экспериментов, он сказал: «Давайте теперь, когда батарея активна, попробуем провести провод параллельно игле».Когда это было сделано, он был весьма озадачен, увидев, что стрелка совершает сильные колебания (почти под прямым углом к ​​магнитному меридиану). Затем он сказал: «Давайте теперь изменим направление тока», и стрелка отклонилась в противоположном направлении. ²

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

Через несколько месяцев после открытия Эрстеда французский физик и математик Андре-Мари Ампер показал, что два токоведущих провода, размещенные параллельно друг другу, генерируют магнитные силовые линии, которые заставляют провода притягиваться или отталкиваться друг от друга в зависимости от от того, текут ли токи в одном или в противоположных направлениях. Ампер продолжал помогать основать область классического электромагнетизма, и в его честь была названа единица измерения электрического тока в системе СИ.

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

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

2. Ранние годы

Майкл Фарадей родился в 1791 году в Ньюингтон-Баттс, сейчас в Южном Лондоне, но тогда не более чем в деревне в сельской местности Суррея. Он был сыном кузнеца, который переехал из Камбрии на северо-западе Англии незадолго до рождения Майкла. Его семья была небогатой, и Фарадей получил типичное образование рабочего класса, которое он компенсировал чтением всех книг, которые мог достать, — страсть, которую он подпитывал, став учеником переплетчика и книготорговца в возрасте 14 лет. .Его растущее увлечение наукой привело в 1812 году к событию, которое изменило его жизнь и ход истории человечества: любезный посетитель книжного магазина предложил юному Фарадею билеты на серию лекций, прочитанных великим Хамфри Дэви в университете. Королевский институт, основанный несколькими годами ранее. Когда он представил Дэви обильные записи, которые он делал во время лекций, великий человек был так впечатлен, что взял его в качестве своего лаборанта. ³ В следующем году Фарадей путешествовал с Дэви по Европе, где он мог бы увидеть и услышать многих ведущих мыслителей своего времени [4].Когда в 1820 году он услышал об эксперименте Эрстеда, он решил провести собственное исследование природы электромагнетизма.

То, чего Фарадею не хватало в формальной научной подготовке, особенно в математике, он компенсировал своим исключительным талантом экспериментатора. И хотя изначально он с недоверием относился к математике, считая ее препятствием, а не помогающим нашему пониманию работы Природы, позже в жизни он изменил свою точку зрения в свете работ Джеймса Клерка Максвелла.Фактически, сам Максвелл считал Фарадея прекрасным теоретиком и утверждал, что это было причиной того, что он смог изложить теории Фарадея на языке аналитической математики. Важно отметить, что на самом деле в исследованиях Фарадея неразрывно связаны три концепции: электрический ток, магнитное поле и механическое движение, и именно взаимодействие между этими тремя понятиями является постоянной темой всей его работы. В сентябре 1821 года он построил устройство, которое можно считать первым электродвигателем.Он показал, что подвешенный провод, свободно висящий в контейнере с ртутью с постоянным магнитом в его центре, будет вращаться вокруг магнита, когда через него пройдет электрический ток (с проводящей ртутью, замыкающей цепь).

С помощью этой красивой простой установки Фарадей продемонстрировал то, что он назвал «электромагнитным вращением» — он использовал электричество и магнетизм для создания движения, обобщение принципа Эрстеда — и открыл принцип, лежащий в основе электродвигателя [5].Идея заключалась в том, что ток, проходящий через провод, создавал вокруг него магнитное поле, которое взаимодействовало с полем магнита, толкая провод круговыми движениями все время, пока течет ток.

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

Напомним, что главной мотивацией Фарадея было «преобразовать магнетизм в электричество» [6], и именно диск Араго стал стартовой площадкой для его прекрасных экспериментов. Что делает его работы такими замечательными для чтения сегодня, так это ясность и точность его описаний. Уильям Генри Брэгг, который намного позже стал директором исследовательской лаборатории Дэви-Фарадея в Королевском институте в 1923 году, написал в предисловии к книге о Фарадее, посвященной столетию со дня его открытия:

Фарадей имел обыкновение описывать каждый эксперимент во всех подробностях и подробностях в тот день, когда он был проведен.Во многих записях обсуждаются последствия, которые он мог бы извлечь из того, что он наблюдал. В других случаях они описывают предлагаемый курс исследования, которое будет проводиться. Таким образом, Дневник — это гораздо больше, чем просто каталог результатов. Читатель может шаг за шагом проследить путь к окончательным и фундаментальным выводам. Он рассматривает формирование идеи, ее экспериментальную реализацию и использование как точку опоры для следующего шага вперед. [7]

3. Экспериментальные исследования электричества

Статья, которой посвящена данная статья, является первой и самой известной из тридцати статей, которые Фарадей написал и опубликовал в Philosophical Transactions Королевского общества между 1832 и 1856 гг. Под названием экспериментальных исследований в области электричества , каждое из которых продолжается там, где закончилось предыдущее.Этот первый доклад был зачитан Королевскому обществу 24 ноября 1831 года. ⁵ Однако примерно в это же время Королевское общество ввело новую процедуру рецензирования статей, представленных для публикации в его Philosophical Transactions , который должен был отложить появление статьи Фарадея в печати на несколько месяцев, к его большому разочарованию [8].

14 января 1832 года, обеспокоенный тем, что французы его вытеснят на этом посту, он написал секретарю Королевского общества, призывая его попытаться ускорить процесс публикации, иначе эти философы могут получить некоторые из моих фактов в разговоре. , повторите их и опубликуйте от своего имени, пока я не уйду ». ⁶ Хотя точная дата появления бумаги в печати неизвестна, самое раннее свидетельство, которое у нас есть, это 9 апреля 1832 года. ⁷

Все эксперименты, описанные в статье, показали, что Изощренность заключается в том, что ток может индуцироваться все время, когда существует относительное движение между проводником и магнитным полем. Оглядываясь назад и используя соответствующий язык, который мы используем сегодня, мы говорим, что ток индуцируется в проводнике, когда он находится внутри изменяющегося магнитного поля.Для этого не имеет значения, действительно ли движется проводящий провод или объект, создающий магнитное поле (либо постоянный магнит, либо другой провод с протекающим через него электрическим током).

Первый эксперимент, обсуждаемый Фарадеем в статье, демонстрирует простую индукцию, и его стоит здесь описать. Сначала 26 футов медной проволоки были намотаны на деревянный цилиндр в виде спирали. Изоляция отдельных шпилей и предотвращение их соприкосновения с помощью тонкого шпагата.Затем катушка с проволокой была покрыта слоем муслина (толстая хлопчатобумажная ткань, также называемая бязью — название, обычно использовавшееся в то время, в том числе Фарадеем). Затем поверх этого был намотан второй медный провод. Этот процесс повторялся, пока у него не было 12 витков провода, все изолированные друг от друга. Затем он соединил свободные концы всех четных катушек, чтобы получилась одна непрерывная длина, а также с нечетными катушками. Теперь у него было две спирали, концы одной из которых он подключил к гальванометру (устройство, изобретенное несколькими годами ранее для определения наличия электрического тока), а другую — к гальванической батарее.

Сначала Фарадей не заметил реакции гальванометра при включении батареи, но, экспериментируя с более длинными витыми проводами, различными материалами для проводящих проводов и более мощными батареями, он наконец смог вызвать небольшую реакцию в стрелке гальванометра. отклонение в одну сторону при включении аккумуляторной батареи и в другую при ее отключении. Теперь мы знаем этот эффект как электромагнитную индукцию — в том смысле, что изменение электрического тока в первом проводе и, следовательно, создаваемое им магнитное поле вызывало временное протекание тока во втором проводе.

Затем он нашел гораздо более эффективный способ изменения магнитного поля: перемещая два провода, один из которых подключен к батарее, а другой — к гальванометру, по направлению друг к другу или от него. Стрелка гальванометра реагировала, вибрируя то в одну сторону, то в другую, синхронно с движением проводов взад и вперед. Но как только они остановились, стрелка гальванометра тоже показала отсутствие тока по второму проводу, хотя он продолжал непрерывно течь по первому.

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

Затем он переходит к гораздо более эффективной версии своего первого эксперимента, в котором он пытается вызвать ток в катушке с проводом за счет включения и выключения тока в другой катушке. На этот раз он использовал не намагниченное железное кольцо вместо оригинального деревянного цилиндра. Он намотал две катушки проволоки на противоположных сторонах кольца, очень осторожно изолировав их от самого кольца и отделив каждую петлю проводов от соседних изолирующей нитью.Затем он подключил одну катушку к батарее, а другую — к гальванометру. При включении батареи «гальванометр сразу же пострадал, причем до степени, намного превышающей описанную» ([9], §28), и он снова сильно отклонился, когда батарея была выключена. Ясно, что временный ток генерировался во втором проводе каждый раз, когда он подключал и отключал батарею. Как пишет Фарадей, можно почти почувствовать волнение:

При использовании силы ста пар пластин [для создания как можно более мощной батареи из своей гальванической груды] с этим кольцом, импульс на гальванометре, когда контакт был завершен или разорван, был настолько велик, что игла быстро вращалась четыре или пять раз, прежде чем воздух и земной магнетизм смогли свести ее движение к простым колебаниям.([9], §31)

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

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

Затем Фарадей заметил, что при замене железного кольца на медное индуцированный ток был намного слабее, и это было похоже на то, когда спиральные провода вообще ни на что не наматывались.Очевидно, разница в том, что железное кольцо помогало генерировать гораздо более сильный электромагнит, чего не могла сделать немагнитная медь.

Следующий шаг был важным. Фарадей понял, что должен быть «какой-то особый эффект, имеющий место во время образования магнита, а не просто его виртуальное приближение, что мгновенно индуцированный ток возбуждается» ([9], §39). Он провел эксперимент, который по сей день знаком в любом научном классе в мире.Он заменил проволочную спираль, соединенную с батареей и генерирующую магнитное поле, на простой постоянный стержневой магнит. Затем он взял полую катушку проволоки, концы которой подключил к гальванометру. Быстро воткнув магнит в катушку, увидел, что стрелка гальванометра отклонится. Если повернуть процесс вспять, вытащив магнит наружу, игла отклонится в противоположном направлении. Затем, постоянно перемещая стержневой магнит внутрь и из катушки, он мог заставить стрелку гальванометра колебаться из стороны в сторону синхронно с движением магнита.

Фарадей продолжил эксперименты с более мощными постоянными магнитами и электромагнитами разной силы, но основной принцип был тем же. Он торжествующе заявляет, что «различные эксперименты… я думаю, наиболее полно доказывают производство электричества из обычного магнетизма» ([9], §57). Он решает называть «действие, оказываемое обычными магнитами» магнитоэлектрической индукцией , чтобы отличить ее от вольта-электрической индукции , создаваемой полем токоведущего провода.Что касается второго провода, который подвергается этой индукции, он описывает его как «находящееся в особом состоянии» сопротивления образованию в нем электрического тока и называет его находящимся в электротоническом состоянии . Но в этот момент он признает, что ему еще предстоит понять свойства материи, находящейся в этом состоянии, особенно потому, что он экспериментирует с различными проводящими материалами, такими как медь и серебро, которые сами по себе не являются магнитными.

Фарадей понял, что ему нужно найти способ создания изменяющегося магнитного поля, и продолжил разработку улучшенной версии эксперимента с диском Араго.Он установил медный диск на латунную ось, чтобы он мог свободно вращаться между двумя полюсами постоянного магнита. Затем он подключил диск к гальванометру, прикрепив один провод к его центру, а другой касаясь его обода (как в).

Вращающийся диск Фарадея — генерирует непрерывный электрический ток в проводящем диске, когда он вращается между двумя полюсами мощного постоянного магнита. Эта диаграмма взята из оригинальной статьи Фарадея [9]. Авторское право Королевское общество.

Затем, когда диск вращался, гальванометр регистрировал непрерывный ток, который явно должен был проходить в радиальном направлении через диск.Изменение направления вращения диска на противоположное привело к отклонению стрелки гальванометра в противоположном направлении, что означает изменение направления электрического тока.

Фарадей классно заметил, что «Таким образом, здесь было продемонстрировано производство постоянного тока электричества обычными магнитами ([9], §90)». Его объяснение происходящего прекрасно ясно: «Если оконечный провод перемещается так для того, чтобы разрезать магнитную кривую, в действие вызывается сила, которая имеет тенденцию проталкивать через нее электрический ток »([9], §256). ⁸

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

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

Затем Фарадей делает интересную и весьма примечательную попытку описать на более микроскопическом уровне то, что может происходить внутри металлов, по которым протекает индуцированный электрический ток: «В электротоническом состоянии однородные частицы материи, по-видимому, приняли регулярное, но вынужденное электрическое расположение в направлении тока … этого вынужденного состояния может быть достаточно, чтобы элементарная частица покинула своего компаньона, с которым она находится в ограниченном состоянии, и присоединилась к соседней подобной частице, по отношению к которой она находится в более естественном состоянии »([9], §76).Обратите внимание, что он принимает здесь теорию электрического тока Ампера, но, если смотреть с точки зрения современной физики, нельзя не восхищаться его проницательностью; его описание предшествует более чем полувековой теории атома Больцмана и открытию Дж. Дж. Томсоном электрона, не говоря уже о понимании природы электричества как потока электронов.

Конечно, мы можем видеть, насколько далеко Фарадей и другие были в то время от понимания истинной природы электрического тока по тому, как он до сих пор обращается к различным видам электричества.Он определяет пять различных типов: гальваническое электричество (вырабатываемое батареей), общее электричество (например, разряд заряженного тела, такого как лейденская банка), магнитоэлектричество (под которым он подразумевает индуцированный ток), термоэлектричество. Электричество и электричество животных (например, производимое некоторыми существами, такими как электрический угорь).

Здесь следует упомянуть, что американский ученый Джозеф Генри (1797–1878), чья жизнь, начиная с бедных и скромных начал, во многом отражала жизнь Майкла Фарадея, также работал (независимо) над электрооборудованием. магнетизм по ту сторону Атлантики — хотя к 1830-м годам интерес к этой теме определенно циркулировал по всей Атлантике.Важно отметить, что Генри на самом деле обогнал Фарадея в открытии индуктивности на несколько месяцев в 1831 году, но именно Фарадей опубликовал первые результаты, и, несмотря на столь расстроившие его задержки, ему приписывают это открытие.

4. Ошибка Фарадея

Сегодня каждый школьник узнает о правилах Флеминга для левой и правой руки. Эти полезные визуальные мнемоники были разработаны английским инженером Джоном Амброузом Флемингом (1849–1945) в конце девятнадцатого века и дают простой способ определения направления движения электродвигателя (правило левой руки) и направления тока в генераторе (правило правой руки).Например, в правиле левой руки указательный палец, средний палец и большой палец можно удерживать, указывая в трех взаимно ортогональных направлениях, чтобы представить магнитное поле (первый палец), электрический ток (второй палец) и толчок, или движение, ( большой палец). Читая статью Фарадея, поражаешься, насколько просты эти мнемоники и насколько полезными они были бы, если бы он знал о них. Пытаясь описать направление индуцированного тока, Фарадей заявляет: «Связь, которая сохраняется между магнитным полюсом, движущейся проволокой или металлом, и направлением развивающегося тока, т.е.е. закон, который управляет эволюцией электричества за счет магнитоэлектрической индукции, очень прост, хотя его довольно трудно выразить ([9], §114).

Действительно, экспериментируя с двумя параллельными проводами, Фарадей заявляет: «Поскольку Провода приблизились, индуцированный ток был в направлении против направления индуцирующего тока. По мере того, как провода удалялись, индуцированный ток был в направлении , в том же направлении , что и индуцирующий ток ([9], §19) ». Затем снова немного позже:« Во всех случаях было обнаружено, что индуцированный ток, создаваемый током индукции. Первое действие индуцирующего тока было противоположным последнему, но ток, вызванный прекращением индуцирующего тока, был в том же направлении ([9], §26).’

Но Фарадей ошибся [10]. показывает отрывок из своего дневника (его лабораторной записной книжки), написанного 26 марта 1832 года, то есть всего за несколько дней до того, как его статья появилась в печати, и поэтому он слишком поздно, чтобы вносить в нее какие-либо изменения. Мы даже видим интересную первую попытку нарисовать диаграмму. Тот, что ниже, изображает правильную взаимную ортогональность электричества, магнетизма и движения и считается одним из самых значительных рисунков в его записной книжке. ⁹

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

5. Влияние открытия Фарадея

Нет сомнений в том, что эксперименты, описанные в статье Фарадея, не только заложили основы для истинного понимания природы электричества, но и для его практического применения способами, которые могли бы преобразовать наш мир. В течение нескольких месяцев многие изобретатели заинтересовались этими чудесными потенциальными приложениями, и все же многие из них не понимали или даже не интересовались физикой, лежащей в основе электромагнитной индукции.Действительно, истинная математическая теория не появилась бы до работы Джеймса Клерка Максвелла в 1865 году. найти практическое применение [11]. Например, французский производитель приборов Ипполит Пикси (1808–1835) построил примитивный электрический генератор еще в 1832 году, основываясь непосредственно на идеях индукции Фарадея.Устройство состояло из ручного вращающегося магнита над катушкой с железным сердечником внутри. Импульс тока в катушке создавался каждый раз, когда над ней проходил один из двух полюсов магнита. Однако то, что производилось, было переменным (AC) током, поскольку направление индуцированного тока изменялось с каждым полувитком магнита. Поскольку в то время не было реального применения переменного тока (его преимущества станут очевидными только позже), необходимо было найти способ преобразовать его в постоянный (DC) ток.Предложение Ампера и других привело к появлению коммутатора — поворотного переключателя, который меняет местами подключение к внешней цепи при изменении тока, давая пульсирующий постоянный ток вместо переменного. Вскоре после изобретения Pixii другие начали производить свои собственные аналогичные устройства. Следует отметить два лондонских инструмента: американца Джозефа Саксона и англичанина Джозефа Кларка. К середине 1830-х годов такие машины производили целый ряд различных эффектов индуцированных электрических токов, от химического разложения до искр, и все это происходило путем поворота ручки, которая вращала магнит.

Однако первым важным практическим применением открытия Фарадея стал не электрический генератор, а телеграф. Основываясь на способности управлять магнитом на расстоянии, это изобретение позволило установить связь на большом расстоянии, которая соединит мир. И он был основан на очень простой идее: движение проводящей катушки над магнитом в одном месте индуцирует ток, который передается в другое место, где он воздействует на гальванометр. Идея была реализована почти сразу же, как только мир узнал о творчестве Фарадея, особенно Павлом Шиллингом, Карлом Фридрихом Гауссом и Вильгельмом Вебером.Через несколько лет он был коммерциализирован Куком и Уитстоном в Великобритании (1837 г.) и Морсом и Вейлом в США (1838 г.). Коммерческое крупномасштабное применение открытия Фарадея было сделано гальваническими мастерами Бирмингема еще в 1844 году. Там по крайней мере две компании использовали его метод извлечения электричества из магнетизма в больших масштабах [12].

В 1850-х годах изобретение ускорилось, когда в ожидании коммерческого применения электрического света были разработаны конструкции для все более мощных генераторов (известных как «магнитоэлектрические машины»).Но эти первые генераторы были невероятно громоздкими и, конечно же, требовали источника энергии в первую очередь для создания механического движения. Первая экспериментальная установка магнитоэлектрической машины с паровым двигателем произошла на британском маяке. Устройство, которое весило 2 тонны, было изобретено англичанином Фредериком Холмсом и впервые испытано на знаменитом экспериментальном маяке Боу-Крик на Тринити-Буй-Уорф на реке Темза в Лондоне в мае 1857 года под наблюдением Фарадея [13]. ¹⁰ В следующем году он был установлен и впервые использован на маяке Южный Форленд на Дуврских скалах. Таким образом, Южный Форленд стал первым местом в мире, где производилась электроэнергия для практического обеспечения энергией. И после 2000 лет использования магнитов для навигации, начиная с примитивных китайских компасов с подвешенными магнитами, магниты, наконец, помогли мореплавателям по-другому: они генерировали мощное электрическое освещение, которое безопасно уводило их от опасных скал.

К середине 1860-х годов несколько ученых и изобретателей разрабатывали практические конструкции динамо-электрической машины. В этих устройствах вместо постоянных магнитов использовались автономные катушки электромагнитного поля, что позволило впервые вырабатывать гораздо больше энергии. Таким образом, они привели к первому крупному промышленному использованию электроэнергии и были первыми генераторами, способными обеспечивать достаточную мощность для промышленности.

После открытия генератора переменного тока, теперь известного как генератор переменного тока, слово «динамо» стало ассоциироваться исключительно с коммутируемым электрическим генератором постоянного тока.К 1880-м годам так называемая « война токов » была в самом разгаре между теми, кто, например, Томасом Эдисоном, который отдавал предпочтение постоянному току для выработки электроэнергии, и теми, кто во главе с Джорджем Вестингаузом и Николой Тесла считал, что переменный ток является допустимым. путь вперед. Последние двое в конечном итоге решительно выиграют ту ожесточенную войну. Развитие передачи энергии переменного тока с использованием трансформаторов (истоки которых лежат в простом индукционном кольце Фарадея) для передачи энергии с высоким напряжением и с низкими потерями позволило центральным электростанциям стать экономически практичными.

Сегодня генератор переменного тока доминирует в крупномасштабном производстве электроэнергии и полагается на текучую среду, обычно пар, который действует как промежуточный носитель энергии, для привода турбин и выработки электроэнергии. На атомных и угольных электростанциях тепло, вырабатываемое в результате ядерного деления и химического сжигания углерода, соответственно, используется для превращения воды в пар. В известном смысле все электростанции можно грубо рассматривать как гигантские котлы.

Джеймс Кларк Максвелл (1831–1879) родился всего за несколько месяцев до того, как Фарадей провел свои знаменитые эксперименты и заинтересовался работой по электромагнитной индукции, и в частности тем, что Фарадей начал называть «силовыми линиями» для описания влияние электрического и магнитного полей.Молодой Максвелл регулярно посещал лекции Фарадея в Королевском институте, и уже в 1856 году он опубликовал статью под названием On Faraday’s Lines of Force , из которой интересно процитировать следующее:

«Я попытался представить уму в удобной и управляемой форме те математические идеи, которые необходимы для изучения явлений электричества. Обычно это методы, предлагаемые в процессе рассуждения, которые можно найти в исследованиях Фарадея, и которые, хотя они были математически интерпретированы проф.Томсон и другие, как правило, предполагают неопределенный и нематематический характер по сравнению с теми, которые используются математиками. С помощью метода, который я принимаю, я надеюсь сделать очевидным, что я не пытаюсь создать какую-либо физическую теорию науки, в которой я почти не провел ни одного эксперимента, и что предел моего замысла состоит в том, чтобы показать, как с помощью строгое применение идей и методов Фарадея, связь самых разных порядков явлений, которые он обнаружил, могут быть ясно поставлены перед математическим умом.

Несколькими годами позже, в 1861–1862 годах, Максвелл опубликовал знаменитую статью из четырех частей под названием On Physics Lines of Force , за которой в 1865 году последовала его величайшая работа [14] «Динамическая теория». электромагнитного поля »[15], в котором он объединил электрические и магнитные поля в одно понятие: волна, движущаяся в пространстве со скоростью света, и в котором он впервые изложил свои знаменитые уравнения (хотя еще не в форме из четырех уравнений, названных его именем и знакомых каждому студенту-физику).Это объединение света и электричества считается одним из ключевых достижений в истории науки, благодаря которому теории Фарадея были дополнены математической плотью.

Книга Максвелла [16] заложила основы не только для последующего открытия радиоволн, но и для большей части современной физики, включая работы Эйнштейна по специальной теории относительности и развитию квантовой теории, в первые десятилетия двадцатого века. Это, в свою очередь, привело ко многим замечательным достижениям, которые сформировали нашу современную электронную эру, от телевидения до компьютеров и смартфонов.Оглядываясь сегодня вокруг, мы не можем не увидеть всеобъемлющее влияние, которое работа Фарадея оказала на нашу жизнь, — влияние, которое не подает никаких признаков ослабления.

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

Благодарности

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

Сноски

¹ Многие историки науки сочли бы использование термина «ученый» при обращении к натурфилософам или химикам (включая самого Фарадея) анахронизмом. Однако впредь в этой статье мы, тем не менее, будем использовать этот современный термин, тем более что между работами Фарадея и изобретением этого слова кембриджским историком и философом Уильямом Уэвеллом в 1834 году всего два года.

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

³ Описание жизни Фарадея см. В [2,3].

⁴ Фарадей. 1825 Дневник 1 , 279.

⁵ Фактически 24 ноября была прочитана только первая часть газеты. Остальная часть была прочитана дважды, 8 и 15 декабря.

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

⁷ Фарадей — Гудзон, 9 апреля 1832 г., в [1], т. 2, буква 566.

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

⁹ Фрэнк Джеймс из Королевского института в настоящее время готовит электронное издание лабораторной записной книжки Фарадея, описывающей его индукционные эксперименты.

¹⁰ Самая ранняя машина Холмса для постоянного тока включала 120 постоянных магнитов в форме подковы, каждый весом 50 фунтов, вместе со 160 катушками; последующие версии были несколько меньше.

Профиль автора

Джим Аль-Халили — физик, автор и телеведущий из Университета Суррея, где он в настоящее время преподает и проводит исследования в области квантовой физики. Он получил докторскую степень в области теоретической ядерной физики в 1989 году и опубликовал множество публикаций о структуре и реакциях экзотических ядер. Он активен в качестве научного коммуникатора и написал ряд научно-популярных книг, переведенных более чем на двадцать языков. Его книга «Следопыты» по истории средневековой арабской науки была номинирована на премию Уорвика в 2013 году.Его последняя работа — «Жизнь на грани: наступление эры квантовой биологии». Он является постоянным ведущим научных документальных фильмов по телевидению, в том числе номинированных на премию Bafta «Химия: изменчивая история» и «Шок» и «Трепет: история электричества» для BBC. Последние три года он представляет весьма успешную еженедельную программу BBC Radio 4 «Life Scientific». В 2007 году он получил медаль Майкла Фарадея Королевского общества за научную коммуникацию.

Ссылки

1. Джеймс ФАЙЛ.2012 г. Переписка Майкла Фарадея (6 томов, Лондон, 1991–2012). [Google Scholar] 2. Джеймс ФАЙЛ. 2010 г. Майкл Фарадей: очень короткое введение. Оксфорд, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. [Google Scholar] 3. Рассел CA. 2001 г. Майкл Фарадей: наука и вера (издательство Оксфордского университета;). [Google Scholar] 4. Бауэрс Б., Саймонс Л. 1991 г. Любопытство полностью удовлетворено: путешествия Фарадея по Европе 1813–1815 гг. Лондон, Великобритания: Peter Peregrinus Ltd совместно с Музеем науки. [Google Scholar] 5.Гудинг Д. 1991 г. Эксперимент и создание смысла: участие человека в научных наблюдениях и экспериментах. Дордрехт, Нидерланды: Kluwer. [Google Scholar] 6. Твини Р.Д., Гудинг Д. 1991 г. «Химические заметки, намеки, предложения и цели поиска» Майкла Фарадея, 1822 г., стр. 70–71. Лондон, Великобритания. [Google Scholar] 7. Сартон Г. 1934 г. Рецензия на «дневник Фарадея Майкла Фарадея» Томаса Мартина. Исида 20, 472–474. (10.1086 / 346808) [CrossRef] [Google Scholar] 8. Андерсон Р. 1993 г. Судейская оценка «Работы Фарадея об электромагнитной индукции 1831 года».Примечания Рек. R. Soc. Лондон. 47, 243–256. (10.1098 / rsnr.1993.0031) [CrossRef] [Google Scholar] 9. Фарадей М. 1832 г. Экспериментальные исследования в электричестве. Фил. Пер. R. Soc. Лондон. 122, 125–162. (10.1098 / rstl.1832.0006) [CrossRef] [Google Scholar] 10. Ромо Дж., Дончел МГ. 1994 г. Первоначальная ошибка Фарадея относительно направления индуцированных токов и рукопись I серии его исследований ». Arch. Hist. Exact Sci. 47, 291–385. (10.1007 / BF00374741) [CrossRef] [Google Scholar] 11. Джеймс ФАЙЛ.1999 г. Талант гражданского инженера: Майкл Фарадей, наука, инженерия и английская маячная служба, 1836–1865 гг. Пер. Newcomen Soc. 70, 153–160. [Google Scholar] 12. Thomas JM. 1991 г. Майкл Фарадей и королевский институт: гений человека и места, (IOP Publishing, впоследствии опубликовано Тейлором и Фрэнсисом;), стр. 51. [Google Scholar] 13. Холмс Ф. Х. 1863 г. О магнитоэлектричестве и его применении в маячных целях. Инженер 16, 337–338. [Google Scholar] 14. Niven WD. (ред.).1965 г. Научные статьи Джеймса Клерка Максвелла, Dover Publications, по специальной договоренности с Cambridge University Press, стр. 157. [Google Scholar] 15. Максвелл Дж. 1865 г. Динамическая теория электромагнитного поля. Фил. Пер. R. Soc. Лондон. 155, 459–512. (10.1098 / rstl.1865.0008) [CrossRef] [Google Scholar] 16. Максвелл Дж. 1873 г. Трактат об электричестве и магнетизме, 2 тома Оксфорд, Великобритания: Clarendon Press. [Google Scholar]

Закон Фарадея, закон Ампера, закон Ленца и сила Лоренца

Работа электродвигателей регулируется различными законами электричества и магнетизма, включая закон индукции Фарадея, закон Ампера, закон Ленца и сила Лоренца.Первые два — закон Фарадея и закон Ампера — включены в уравнения Максвелла. Вместе с законом Ленца и силой Лоренца эти принципы составляют основу электромагнетизма.

---

Закон индукции Фарадея

Закон индукции Фарадея — это фундаментальный закон, по которому работают электродвигатели. Майкл Фарадей приписывают открытие индукции в 1831 году, но Джеймс Клерк Максвелл описал ее математически и использовал в качестве основы своей количественной электромагнитной теории в 1860-х годах.

---

Индуктивность — это свойство устройства, которое показывает, насколько эффективно оно индуцирует ЭДС в другом устройстве (или на самом себе).

---

Закон Фарадея обычно гласит, что в замкнутой катушке (петле) провода изменение магнитной среды катушки вызывает в катушке индуцированное напряжение или ЭДС (электродвижущая сила).

Изменение магнитной среды может быть вызвано изменением напряженности магнитного поля, перемещением магнита по направлению к катушке или от нее, перемещением катушки в магнитное поле или из него или вращением катушки в поле.

Индуцированная ЭДС равна отрицательной скорости изменения магнитного потока, умноженной на количество витков в катушке:

Где:

E = ЭДС (В)

N = количество витков в катушке

Φ = магнитный поток (Вебер, Вт)

t = время (с)

---

Обратите внимание, что магнитный поток равен среднему магнитному полю, B (тесла, или Вт / м ² ), умноженному на площадь перпендикуляра катушки, которая проникает в магнитное поле, A (м ² ).

---

Закон Ленца

Закон

Ленца демонстрирует причину отрицательного знака в законе индукции Фарадея. Другими словами, закон Ленца объясняет , почему ЭДС, генерируемая в соответствии с законом Фарадея, отрицательна.

Обычный способ сформулировать закон Ленца: «Когда ЭДС генерируется изменением магнитного потока, полярность индуцированной ЭДС такова, что она генерирует ток, магнитное поле которого направлено в направлении, противоположном изменению, которое его вызвало. (исходное магнитное поле).То есть индуцированное магнитное поле всегда поддерживает постоянный магнитный поток.

Когда магнитный поток изменяется (ΔB), магнитное поле наведенной ЭДС (B _Induced ) работает, чтобы противодействовать изменению.
Изображение предоставлено: К. Р. Нейв, Государственный университет Джорджии

---

Закон Ленца аналогичен третьему закону Ньютона в механике, который гласит, что для каждого действия существует равное и противоположное противодействие.

---

Сила Лоренца

Существуют разногласия по поводу того, была ли сила Лоренца первоначально получена Джеймсом Клерком Максвеллом или Оливером Хевисайдом, но, как правило, это Хевисайд.Хендрик Лоренц вывел современную форму уравнения в 1891 году.

Сила Лоренца — это сила, которую частица испытывает из-за электрического и магнитного полей. Электрические поля действуют на частицу независимо от того, движется она или нет, в то время как магнитные поля действуют только тогда, когда частица находится в движении. Комбинация сил электрического и магнитного полей определяется как:

Что упрощается до:

Где:

F = сила (Н)

q = частица заряда (кулон, Кл)

E = электрическое поле (N / C)

v = скорость перпендикулярно магнитному полю (м / с)

B = магнитное поле (тесла, Тл)

Поскольку ток — это, по сути, поток движущихся заряженных частиц, он также испытывает силу, обусловленную магнитным полем.В случае тока в магнитном поле уравнение силы Лоренца принимает вид:

Где:

I = ток (A)

l = длина провода через поле (м)

Направление силы Лоренца определяется с использованием правила правой руки: направьте большой палец в направлении тока, первый палец — в направлении магнитного поля, а второй (средний) палец — в направлении тока. сила.

---

Окружной закон Ампера

Несмотря на свое название, круговой закон Ампера был выведен не Андре-Мари Ампером, а Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860 году и является одним из уравнений Максвелла для электромагнетизма. (Ампер сформулировал закон силы Ампера, который описывает силу притяжения или отталкивания между двумя токоведущими проводами.)

Магнитное поле действует на прямой провод, по которому течет ток. По закону движения Ампера напряженность магнитного поля может быть определена по формуле:

Где:

B = магнитное поле (Тл)

мкм ₀ = магнитная проницаемость воздуха, Т-м / А

I = ток (A)

r = расстояние от провода (м)

Когда провод представляет собой петлю, магнитное поле вызывает силу в одном направлении на одной стороне петли и в противоположном направлении на другой стороне петли.Это создает крутящий момент, который заставляет катушку вращаться. Обратите внимание, что при подаче постоянного тока катушка будет колебаться вперед и назад, но не будет совершать полных оборотов — это причина, по которой в двигателях постоянного тока используются коммутаторы. Двигатели, работающие на переменном токе (двигатели переменного тока), не имеют этой проблемы.

Изображение предоставлено: TutorVista.com

Объяснение: Майкл Фарадей и электромагнитная индукция

Майкл Фарадей. (Источник: Wikimedia Commons)

29 августа 1831 года британский ученый Майкл Фарадей обнаружил электромагнитную индукцию, важный прорыв, заложивший основу для более поздних исследователей, таких как Джеймс Клерк Максвелл, и привел к таким важным изобретениям, как электродвигатели, трансформаторы, индукторы и генераторы.

Кем был Майкл Фарадей и как он открыл электромагнитную индукцию?

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

Фарадей родился в 1791 году в условиях значительной бедности и не получил формального образования. Он научился читать и писать в воскресной церкви. Фарадей начал работать в 14 лет с книжным торговцем в Лондоне и обнаружил свою склонность к науке, читая книги, которые его работодатель переплетал.

В 1812 году Фарадей поступил в ученики у легендарного химика сэра Хэмфри Дэви, изобретателя лампы Дэви. В конце этого объединения Фарадей начал свою выдающуюся карьеру ученого. Первые годы были наделены успехами в химии; в 1825 году Фарадей открыл бензол.

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

Эксперимент с железным кольцом Фарадея

Фарадей обмотал толстое железное кольцо двумя витками изолированного провода, по одной с каждой стороны кольца. Одна катушка была подключена к батарее, а другая — к гальванометру. Когда цепь батареи была замкнута, Фарадей увидел кратковременное отклонение гальванометра. Аналогичное кратковременное отклонение, но в противоположном направлении, наблюдалось при размыкании цепи батареи.

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

Фундамент, заложенный Фарадеем, помог Максвеллу в дальнейшем изучении теории электромагнитного поля, и вклад последнего значительно повлиял на физику 20-го века.

Закон Фарадея и закон электромагнитной индукции Ленца

Законы электромагнитной индукции Фарадея объясняют взаимосвязь между электрической цепью и магнитным полем.Этот закон является основным принципом работы большинства электродвигателей, генераторов, трансформаторов, индукторов и т. Д.

Первый закон Фарадея:

Всякий раз, когда проводник помещается в переменное магнитное поле, ЭДС индуцируется поперек проводника (называемая индуцированной ЭДС), и если проводник представляет собой замкнутую цепь, то индуцированный ток течет через него.
Магнитное поле можно варьировать различными методами —
1. Путем перемещения магнита
2. Перемещая катушку
3. Вращая катушку относительно магнитного поля

Второй закон Фарадея:

Второй закон электромагнитной индукции Фарадея гласит, что, , величина наведенной ЭДС равна скорости изменения магнитных связей с катушкой.Магнитопровод представляет собой произведение числа витков и магнитного потока, связанного с катушкой.

Формула закона Фарадея:

Если считать, что проводник движется в магнитном поле, тогда
потокосцепление с катушкой в ​​исходном положении проводника = NΦ ₁ (Wb) (N — скорость двигателя, Φ — поток)
потокосцепление с катушкой в ​​конечном положении проводника = NΦ ₂ (Wb)
изменение потокосцепления с начального на конечное = N (Φ ₁ — Φ ₂ )
пусть Φ ₁ — Φ ₂ = Φ
следовательно, изменение потокосцепления = NΦ
и скорость изменения потокосцепления = NΦ / t
взяв производную от RHS
скорость изменения магнитных связей = N (dΦ / dt)

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея , скорость изменения магнитных связей равна наведенной ЭДС

Итак, E = N (dΦ / dt) (вольт )

Феномен взаимной индукции

Переменный ток, протекающий в катушке, создает вокруг нее переменное магнитное поле.Когда две или более катушек магнитно связаны друг с другом, тогда переменный ток, протекающий через одну катушку, вызывает наведенную ЭДС на других связанных катушках. Это явление называется взаимной индукцией.

Закон Ленца

Закон электромагнитной индукции Ленца гласит, что, когда ЭДС индуцируется в соответствии с законом Фарадея, полярность (направление) этой индуцированной ЭДС такова, что она противодействует причине ее возникновения.

Таким образом, учитывая закон Ленца

E = -N (dΦ / dt) (вольт)

Отрицательный знак показывает, что направление наведенной ЭДС и направление изменения магнитных полей имеют противоположные знаки.

.