Site Loader
Posted on 08.03.1976

Содержание

Кто открыл «Электромагнитную индукцию»? : Пургаторий (Ф)

Sidar писал(а):

Вопрос, конечно, интересный (особенно, для студентов по результатам оценки ответов на экзаменах и при компьютерном тестировании)!?


==========================
КРАТКАЯ ПРЕДЫСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

— XVI — XVII Век. Наблюдение фактов намагничивания «железа» (железных предметов) и размагничивания (или перемагничивания) магнитной стрелки компаса при ударах молнии.

— 1751 г. В. Франклин. Опыты «намагничения игл электричеством» или перемагничивания стальных игл «электрической искрой» от «первичного проводника», источника статического электричества (электростатической машины, лейденской банки).
[Вениамин Франклин, Опыты и наблюдения над электричеством. – М.: Изд-во АН СССР, 1956]

— 1758 г. Джамбаттиста Беккариа (G. Beccaria), профессор Туринского университета. Повторение опытов Франклина 1751 г. с намагничиванием и изменением полярности железной проволоки посредством электростатического разряда и выдвижение гипотезы – «…не обусловливает ли электрический флюид неким универсальным неощутимым непрерывным периодическим циркулирующим движением… во всех случаях возникновения и поддержания магнитных свойств».

[G. Beccaria, Opere, Macerata, 1793, v. II, t. II, p. 139].

— 1804 г. Б. Можон (Mojon), профессор химии в Генуе, и независмо от него К. Л. Мороццо (Morozzo) в Турине провели эксперименты по намагничиванию стальной иголки с использованием гальванической батареи, аналогично таковому при разрядах от источников статического электричества.

— 21 июля 1820 г. Г. Х. Эрстед. Экспериментальное открытие бесконтактного ориентирующего «действия на магнитную стрелку» гальванического тока.

[Oersted H.Ch. Experimenta circa efficaciam conflictus electrici in acum magneticam. — Hafniae, 1820]

— ноябрь 1820 г. Д. Ф. Араго. Эксперимент по намагничивающему действию проводника с током (притяжение железных опилок) и намагничиванию стального стержня посредством спирального проводника с гальваническим током.

— 1862 г. Дж. К. Максвелл. Гипотеза нового явления и введениепонятия «электрического тока смещения» («изменение электрического поля вызывает поле магнитное»).
[Maxwell J. C. On Physical Lines of Force. Pt. 3 // Phil. Mag., 1862, vol. XXIII, p. 12﷓24. (Максвелл Дж.К., Избр. соч. по теории электромагнитного поля. — М: ГТТИ, 1954, с. 160-177).

— 1873 г. Дж. К. Максвелл. Гипотеза относительно магнитного поля конвекционного тока. («…подтвердить наше предположение о том, что движущееся заряженное тело эквивалентно электрическому току. … Я не уверен, что до сих пор кто-либо пытался выполнить такой эксперимент»).

[Дж. К. Максвелл, Трактат об электричестве и магнетизме. Том 2. – М.: Наука, 1989, с. 324].

— 1876 г. Г. Роуланд. Первый эксперимент (проведенный в лаборатории и по предложению Г. Гельмгольца) с положительным результатом по подтверждению магнииитного действия конвекционного тока.
[Rowland H. A., Am. Journ. of Science (3), vol. 15, 3 (1878)].

— 1881 г. Дж. Дж. Томсон. Предложил формулу для магнитного поля поступательно движущихся электрических зарядов любого электрического тока: гальванического, конвекционного или тока смещения («формула Дж. Томсона»).

[Thomson J. J. On the electric and magnetic effects produced by the motion of electrified bodies. – Phil. Mag., 1881, vol. 11, p. 229-249].

— 1885 — 1888 гг. В. К. Рентген. Подтверждение результатов опыта Роуланда 1876 г. и обнаружение магнитного действия движущегося поляризованного диэлектрика («ток Рентгена»).
[Rontgen W. C. Ann. d. Phys., T. 35, 1888, S. 264 – 270].

— 1889 г. С. Ф. Томпсон. Качественным опыт по индикации вихревого магнитного поля в магнетике при изменении электрического поля в диэлектрике.
[Thompson S. P. On the magnetic action of displacement currents in a dielectric. – Proc. Roy. Soc., 1889, vol. 45, p. 392-393].

— 1890 г. Генрих Герц. Обобщёние уравнений Максвелла для движущихся сред (уравнения Максвелла-Герца).
[Hertz H. Über die Grundgleichungen der Electrodynamik für bewegte Körper // Ann. d. Phys., 1890. T. 41. S. 369-399].

— 1901 — 1903 гг. А. А. Эйхенвальд. Качественное и количественное экспериментальное подтверждение эквивалентности магнитного действия электрических токов проводимости, токов конвекции и токов смещения.
[Эйхенвальд А. А. О магнитном действии тел, движущихся в электростатическом поле (1904 г.) – В кн.: А. А. Эйхенвальд, Избр. работы. — М.: ГТТИ, 1956, с. 7 – 109].

— 1912 — 1913 гг. Поль Ланжевен. – Попытка обоснования единства явлений магнитного действия электрического тока проводимости, конвекционного тока и тока смещения в рамках «Закона тока смещения Максвелла».

[П. Ланжевен, «Зёрна электричества и электромагнитная динамика» (Доклад, представленный Французскому физическому обществу в 1912 г.) и «Инерция энергии и её следствия» (Доклад, сделанный во Французском физическом обществе 26 марта 1913 г.) – В кн.: П. Ланжевен, Избр. произведения. – М.: ИЛ, 1949, с. 156 – 215, 216 – 254].

— 1980 г. А. М. Сидорович. Новая концепция явления электромагнитной индукции и формулировка «Закона электромагнитной индукции» и его следствий.
[Сидорович А. М., К бинарно-инверсной интерпретации уравнений Максвелла и индукционных явлений // Весцi АН БССР. Сер. фiз.﷓мат. навук, 1980, № 3, с. 126; Sidorovich A. M., Electromagnetic Induction (New Conception). — Proc. Int. Symp. (ISEF’87), Pavia, Italy, September 1987, p. 25-27.].

* * *
На практике явление электромагнитной индукции означает, что магнитное поле и намагничивание (магнитная поляризация) возникают индукционно в каком-либо замкнутом контуре из магнетика, когда поток электрической индукции через поверхность, ограниченную этим магнетиком, изменяется. Это имеет место в случаях, когда электрическое поле само изменяется по величине или магнетик движется через внешнее электрическое поле, пересекая его.

2.7. ОТКРЫТИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ. История электротехники

2.7. ОТКРЫТИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Большой вклад в современную электротехнику сделал английский ученый Майкл Фарадей, труды которого, в свою очередь, были подготовлены предшествовавшими работами по изучению электрических и магнитных явлений [1.1; 1.6; 2.6].

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Майкл Фарадей. — Закон электромагнитной индукции

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

Детство и юность

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

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

Начало работы в Королевском институте

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

Первые самостоятельные исследования. Научные публикации

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

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

В период до 1821 Майкл Фарадей опубликовал около 40 научных работ, главным образом по химии. Постепенно его экспериментальные исследования все более переключались в область электромагнетизма. После открытия в 1820 Гансом Эрстедом магнитного действия электрического тока Фарадея увлекла проблема связи между электричеством и магнетизмом. В 1822 в его лабораторном дневнике появилась запись: «Превратить магнетизм в электричество». Однако Фарадей продолжал и другие исследования, в том числе в области химии. Так, в 1824 ему первому удалось получить хлор в жидком состоянии.

Избрание в Королевское общество. Профессура

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

В 1825 г. Фарадей был назначен директором лаборатории института, а спустя два года получил здесь же профессорскую кафедру. На новом месте Майкл больше занимался физикой. Действуя чисто эмпирически, 17 октября 1831 г. он обнаружил явление электромагнитной индукции: возникновение в цепи электрического тока при изменении внешнего магнитного поля. Успех принес опыт, кажущийся сейчас тривиальным: вокруг металлического кольца обвивалось два отдельных витка провода. По одному из них, соединенному с батареей, пропускался электрический ток. Целью ученого было выяснить, не возникнет ли ток в «мертвом» проводе под воздействием «живого». С прикладной точки зрения, была получена модель первой динамо-машины, которая через столетие полностью изменит облик Земли. Но эта сторона вопроса абсолютно его не интересовала. В течение последующих 25 лет он целенаправленно изучал только две вещи: способ, каким электрические и магнитные силы передаются в пространстве, и связь между этими силами и материей.

Закон электромагнитной индукции. Электролиз

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

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

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

Болезнь Фарадея. Последние экспериментальные работы

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

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

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

Значение научных трудов

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

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

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

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

К истории открытия явления электромагнитной индукции.

В учебнике физики для IX класса дан краткий экскурс в историю открытия рассматриваемого закона. Обзор целесообразно дополнить. Речь идет о фундаментальном законе природы, и нужно раскрыть все его стороны в процессе становления. Рассказ о процессе поисков закона Фарадеем особенно поучителен, и здесь не нужно- жалеть времени. 
Майкл Фарадей родился в 1791 г. в окрестностях Лондона в семье кузнеца. Отец не имел средств для платы за учебу, и Фарадей в 13 лет был вынужден начать изучение переплетного дела. К счастью, он попал в ученики к владельцу книжного магазина. Любознательный мальчик жадно читал, причем нелегкую литературу. Его привлекали статьи по естественным наукам в Британской энциклопедии, он штудировал «Беседы о химии» Марсе. В 1811 г. Фарадей начал посещать общедоступные лекции по физике известного лондонского педагога Тэтума.
Поворотным в жизни Фарадея был 1812 г. Клиент владельца книжного магазина, член Королевского института Дэнс рекомендовал юноше прослушать лекции знаменитого химика Гэмфрн Дэви. Фарадей последовал доброму совету; он жадно слушал и тщательно конспектировал. По совету того же Дэнса он обработал записи и послал их Дэви, присоединив просьбу о предоставлении возможности исследовательской работы. В 1813 г. Фарадей получил место лаборанта в химической лаборатории Королевского института, которой руководил Дэви.
Вначале Фарадей — химик. Он быстро становится на путь самостоятельного творчества, и самолюбию Дэви приходится часто страдать от успехов ученика. В 1820 г. Фарадей узнает об открытии Эрстеда, и с этих пор его мысли поглощают электричество и магнетизм. Он начинает свои знаменитые экспериментальные исследования, приведшие к преобразованию физического мышления. В 1823 г. Фарадей был избран членом Лондонского Королевского общества, а затем назначен директором физической и химической лабораторий Королевского института. В стенах этих лабораторий были совершены величайшие открытия. Жизнь Фарадея, внешне монотонная, поразительна по творческому напряжению. О нем свидетельствует трехтомный: труд «Экспериментальные исследования по электричеству», в котором отражен шаг за шагом творческий путь гения.
В 1820 г. Фарадей ставит принципиально новую проблему: «превратить магнетизм в электричество». Это было вскоре после открытия магнитного действия токов. В опыте Эрстеда электрический ток действует, на магнит. Поскольку, согласно Фарадею, все силы природы взаимопревращаемы, можно, наоборот, магнитной силой возбудить электрический ток.
Фарадей ожижает газы, производит тонкие химические анализы, открывает новые химические свойства веществ. Но мысль его неотступно занята поставленной проблемой. В 1822 г. он описывает попытку обнаружить «состояние», обусловленное течением тока: «поляризовать луч света от лампы путем отражения и попытаться обнаружить, не окажет ли деполяризующее действие вода, расположенная между полюсами, вольтовой батареи в стеклянном сосуде…» Фарадей надеялся таким образом получить какую-нибудь информацию о свойствах тока. Но опыт не дал ничего. Далее следует 1825 год. Фарадей публикует статью  «Электромагнитный ток (под влиянием магнита)», в которой высказывает следующую мысль. Если ток действует на магнит, то он должен испытывать, противодействие. «По разным соображениям, — пишет Фарадей,— было сделано предположение, что приближение полюса сильного магнита будет уменьшать электрическийток». И он описывает опыт, реализующий эту идею.
В дневнике от 28 ноябряря 1825 г. описан аналогичный опыт. Батарея гальванических элементов соединялась проводом. Параллельно этому проводу располагался другой (провода разделялись двойным слоем бумаги), концы которого присоединялись к гальванометру. Фарадей рассуждал, по-видимому, так. Если ток есть движение электрической жидкости и это движение действует на постоянный магнит — совокупность токов (по гипотезе Ампера), то движущаяся жидкость в одном проводнике должна заставить двигаться неподвижную — в другом, и гальванометр должен зафиксировать ток. «Разные соображения», о которых писал Фарадей при изложении первого опыта, сводились к тому же, только там ожидалась реакция движущегося в проводнике электрического флюида со стороны молекулярных токов постоянного магнита. Но опыты дали отрицательный результат.
Решение пришло в 1831 г., когда Фарадей предположил, что индукция должна возникнуть при и нестационарном процессе. Это была ключевая мысль, приведшая к открытию явления электромагнитной индукции.
Возможно, что к идее изменения тока заставило обратиться сообщение, полученное из Америки. Известие пришло от американского физика Джозефа Генри (1797 — 1878).
В юные годы Генри не проявлял ни исключительных способностей, ни интереса к науке. Вырос он в нищете, был батраком на ферме, актером. Так же, как и Фарадей, он занимайся самообразованием. Учиться начал с 16 лет в академии города Олбани. За семь месяцев он усвоил столько знаний, что получил место учителя в сельской школе. Затем Генри работал у профессора химии Бека в качестве лекционного ассистента. Работу он совмещал с учебой в академии. После окончания курса Генри был назначен инженером и инспектором на канале Эри. Через несколько месяцев он оставил эту выгодную должность, приняв приглашение на должность профессора математики и физики в Олбани. В это время английский изобретатель Вильям Стерджен (1783 — 1850) сообщил о своем изобретении подковообразного магнита, способного поднять стальное тело весом до четырех килограммов.
Генри увлекся электромагнетизмом. Он сразу же нашел способ увеличить подъемную силу до тонны. Достичь этого удалось новым в то время приемом: вместо изоляции тела магнита изолировался провод. Открылся способ создания многослойных обмоток. Еще в 1831 г. Генри показал возможность построения электродвигателя, изобрел электромагнитное реле, и с его помощью демонстрировал передачу электрических сигналов на расстояние, предвосхитив изобретение Морзе (телеграф Морзе появился в 1837 г.).
Подобно Фарадею Генри поставил перед собой задачу получить электрический ток с помощью магнита. Но это была постановка задачи изобретателя. И поиски направлялись голой интуицией. Открытие произошло за несколько лет до опытов Фарадея. Постановка ключевого опыта Генри изображена на рисунке 9. Здесь все так же, как показывается до сих пор. Только гальваническому элементу мы предпочитаем более удобный аккумулятор, а вместо крутильных весов пользуемся гальванометром.
Но Генри не сообщил об этом опыте никому. «Мне следовало напечатать это раньше,— говорил он сокрушенно своим друзьям,— Но у меня было так мало времени! Хотелось свести полученные результаты в какую-то систему»(курсив мой.— В. Д.). И отсутствие регулярного образования и еще более — утилитарно— изобретательский дух американской науки сыграли плохую роль. Генри, конечно, не понял и не почувствовал глубины и важности нового открытия. В противном случае он, конечно, оповестил бы ученый мир о величайшем факте. Умолчав об индукционных опытах, Генри сразу же послал сообщение, когда ему удалось поднять электромагнитом целую тонну.
Именно это сообщение и получил Фарадей. Возможно, оно послужило последним звеном в цепи умозаключений, приведших к ключевой идее. В опыте 1825 г. два провода отделялись бумагой. Индукция должна была быть, но не обнаруживалась вследствие слабости эффекта. Генри показал, что в электромагните эффект резко усиливается при применении многослойной обмотки. Следовательно, индукция должна возрасти, если индуктивное действие будет передаваться по большой длине. В самом деле, магнит — собрание токов. Возбуждение намагничивания в стальном стержне при пропускании тока по обмотке есть индукция тока током. Она усиливается, если путь тока по обмотке становится длиннее.
Такова возможная цепь логических умозаключений Фарадея. Вот полное описание первого успешного опыта: «Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; другие двести три фута такой же проволоки были проложены в виде спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт был везде устранен посредством шнурка. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая — с хорошо заряженной батареей из ста пар пластин в четыре квадратных дюйма с двойными медными пластинками. При замыкании контакта наблюдалось внезапное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобное же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей».
Таков был первый опыт, давший положительный результат после десятилетних поисков. Фарадей устанавливает, что при замыкании и размыкании возникают индукционные токи противоположных направлений. Далее он переходит к изучению влияния железа на индукцию.
«Из круглого брускового, мягкого железа было сварено кольцо; толщина металла была равна семи-восьми дюймам, а наружный диаметр кольца — шести дюймам. На одну часть этого кольца было намотано три спирали, каждая из которых содержала около двадцати четырех футов медной проволоки толщиной в одну двадцатую дюйма. Спирали были изолированы от железа и друг от друга и наложены одна на другую… Ими можно было пользоваться по отдельности и в соединении; эта группа обозначена буквой А (рис. 10). На другую часть кольца было намотано таким же способом около шестидесяти футов такой же медной проволоки в двух кусках, образовавших спираль В, которая имела одинаковое направление со спиралями А, но была отделена от них на каждом конце на протяжении примерно полудюйма голым железом.
Спираль В соединялась медными проводами с гальванометром, помещенным на расстоянии трех футов от кольца. Отдельные спирали А соединялись конец с концом так, что образовали общую спираль, концы которой были соединены с батареей из десяти пар пластин в четыре квадратных дюйма. Гальванометр реагировал немедленно, притом значительно сильнее, чем это наблюдалось выше, при пользовании в десять раз более мощной спиралью без железа».
Наконец, Фарадей производит опыт, с которого до сих пор обычно начинают изложение вопроса об электромагнитной индукции. Это было точное повторение опыта Генри, изображенного на рисунке 9.
Задача, поставленная Фарадеем в 1820 г., была решена: магнетизм был превращен в электричество.
Вначале Фарадей различает индукцию тока от тока (ее он называет «вольта-электрическая индукция» и тока от магнита («магнито-электрическая индукция»). Но затем он показывает, что все случаи подчиняются одной общей закономерности.
Закон электромагнитной индукции охватил и другую группу явлений, которая получила впоследствии название явлений самоиндукции. Фарадей назвал новое явление так: «Индуктивное влияние электрического тока на самого себя».
Вопрос этот возник в связи со следующим фактом, сообщенным Фарадею в 1834 г. Дженкиным. Факт этот заключался в следующем. Две пластины гальванической батареи соединяются проволокой небольшой длины. При этом никакими ухищрениями экспериментатору не удается получить от этой проволоки электрического удара. Но если взять вместо проволоки обмотку электромагнита, то всякий раз при размыкании цепи ощущается удар. Фарадей писал: «Одновременно наблюдается другое, давно известное ученым явление, а именно: в месте разъединения проскакивает яркая электрическая искра» (курсив мой — В. Д.).
Фарадей начал обследование этих фактов и вскоре открыл ряд новых сторон явления. Ему понадобилось немного времени, Чтобы установить «тождественность явлений с явлениями индукции». Опыты, которые до сих пор демонстрируются и в .средней, и в высшей школе при объяснении явления самоиндукции, были поставлены Фарадеем в 1834 г.
Независимо аналогичные опыты были поставлены Дж. Генри, однако, как и опыты по индукции, они своевременно не были опубликованы. Причина та же: Генри не нашел физической концепции, охватывающей разнообразные по форме явления.
Для Фарадея самоиндукция была фактом, осветившим дальнейший путь поисков. Обобщая наблюдения, он приходит к заключениям большого принципиального значения. «Не подлежит сомнению, что ток в одной части провода может действовать путем индукции на другие части того же самого провода, находящиеся рядом… Именно это и создает впечатление, что ток действует на самого себя».
Не зная природы тока, Фарадей тем не менее точно указывает на суть дела: «Когда ток действует путем индукции нарядом с ним расположенное проводящее вещество, то, вероятно, он действует на имеющееся в этом проводящем веществе электричество,— все равно, находится ли последнее в состоянии тока или же оно неподвижно; в первом случае он усиливает или ослабляет ток, смотря по его направлению во втором — создает ток».
Математическое выражение закона электромагнитной индукций дал в 1873 г. Максвелл в «Трактате по электричеству и магнетизму». Только после этого он стал основой количественных расчетов. Так что закон электромагнитной индукции следует называть законом Фарадея—Максвелла.
Методические замечания. Известно, что возбуждение индукционного тока в проводнике, движущемся в постоянном магнитном поле, и в неподвижном проводнике, который находится в переменном магнитном поле, подчиняется одному и тому же закону . Для Фарадея и Максвелла это было очевидно, поскольку они представляли себе линии магнитной индукции как реальные образования в эфире. При включении и выключении тока или изменениях силы тока вокруг проводников, составляющих цепь, линии магнитной индукции перемещаются. При этом они пересекают саму цепь, обусловливая явление самоиндукции. Если около цепи с изменяющимся током находится какой-либо проводник, то линии магнитной индукции, пересекая его, возбуждают ЭДС электромагнитной индукции.
Материализация силовых линий электрического поля и линий магнитной индукции стали достоянием истории. Однако было бы ошибочно придавать силовым линиям лишь формальный характер. Современная физика считает, что силовая линия электрического поля и линия магнитной индукции— это геометрическое место точек, в которых данное поле имеет состояние, отличное от состояния в других точках. Это состояние определяется значениями векторов  и  в этих точках. При изменениях поля векторы  и  изменяются, соответственно изменяется, конфигурация силовых линий. Состояние поля может перемещаться в пространстве со скоростью света. Если проводник находится в поле, состояние которого изменяется, в проводнике возбуждается ЭДС.

Случай, когда поле постоянно, а проводник перемещается в этом поле, не описывается теорией Максвелла. Впервые на это обратил внимание Эйнштейн. Его основополагающая, работа «К электродинамике движущихся тел» как раз и начинается с обсуждения недостаточности теории Максвелла в этом пункте. Явление возбуждения ЭДС в проводнике, движущемся е постоянном магнитном поле, может быть включено в рамки теории электромагнитного поля, если ее дополнить принципом относительности и принципом постоянства скорости света.

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

  • Явление электромагнитной индукции

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

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

  • Магнитный  поток
Замкнутый контур, помещенный в однородное магнитное поле

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

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

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

  • Закон электромагнитной индукции

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

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

  • Правило Ленца

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

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

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

в каком году, что позволило создать

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

Электромагнитная индукция — описание

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

Электромагнитная индукция наблюдается в двух случаях:

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

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

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

Кто открыл явление

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

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

Как было сделано открытие ЭМ индукции

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

Источник: i.pinimg.com

Основные этапы опыта:

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

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

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

Значение открытия в будущем использовании электричества

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

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

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

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

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

Источник: dr-sauber.ru

Что открытие ЭМ индукции позволило создать

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

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

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

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

Тест 11-1(электромагнитная индукция) Вариант 1 Кто открыл явление электромагнитной индукции?


Тест 11-1(электромагнитная индукция)

Вариант 1

1. Кто открыл явление электромагнитной индукции?

А. X. Эрстед. Б. Ш. Кулон. В. А. Вольта. Г. А. Ампер. Д. М. Фарадей. Е. Д. Максвелл.

2. Выводы катушки из медного провода присоединены к чувствительному гальванометру. В каком из перечисленных опытов гальванометр обнаружит возникновение ЭДС электромагнитной индукции в катушке?


  1. В катушку вставляется постоянный магнит.

  2. Из катушки вынимается постоянный магнит.

  3. Постоянный магнит вращается вокруг своей продоль­ной оси внутри катушки.

А. Только в случае 1. Б. Только в случае 2. В. Только в случае 3. Г. В случаях 1 и 2. Д. В случаях 1, 2 и 3.

3.Как называется физическая величина, равная произве­дению модуля В индукции магнитного поля на площадь S поверхности, пронизываемой магнитным полем, и косинус
угла а между вектором В индукции и нормалью п к этой поверхности?

А. Индуктивность. Б. Магнитный поток. В. Магнитная индукция. Г. Са­моиндукция. Д. Энергия магнитного поля.

4. Каким из приведенных ниже выражений определяется ЭДС индукции в замкнутом контуре?

A. Б. В. Г. Д.

5. При вдвигании полосового магнита в металлическое кольцо и выдвигании из него в кольце возникает индук­ционный ток. Этот ток создает магнитное поле. Каким по­люсом обращено магнитное поле тока в кольце к: 1) вдвигаемому северному полюсу магнита и 2) выдвигаемому се­верному полюсу магнита.

A. 1 — северным, 2 — северным. Б. 1 — южным, 2 — южным.

B. 1 — южным, 2 — северным. Г. 1 — северным, 2 — южным.

6. Как называется единица измерения магнитного потока?

А. Тесла. Б. Вебер. В. Гаусс. Г. Фарад. Д. Генри.

7. Единицей измерения какой физической величины является 1 Генри?

А. Индукции магнитного ноля. Б. Электроемкости. В. Самоиндук­ции. Г. Магнитного потока. Д. Индуктивности.

8. Каким выражением определяется связь магнитного по­ тока через контур с индуктивностью L контура и силой тока I в контуре?

A. LI. Б. . В. LI‘ . Г. LI2. Д. .

9. Каким выражением определяется связь ЭДС самоин­дукции с силой тока в катушке?

А. Б. В. LI. Г. . Д. LI‘.

10. Ниже перечислены свойства различных полей. Какими из них обладает электростатическое поле?


  1. Линии напряженности обязательно связаны с электри­ческими зарядами.

  2. Линии напрялсенности не связаны с электрическими зарядами.

  3. Поле обладает энергией.

  4. Поле не обладает энергией.

  5. Работа сил по перемещению электрического заряда по замкнутому пути может быть не равна нулю.

  6. Работа сил по перемещению электрического заряда по любому замкнутому пути равна нулю.

А. 1, 4, 6. Б. 1, 3, 5. В. 1, 3, 6. Г. 2, 3, 5. Д. 2, 3, 6. Е. 2, 4, 6.

11. Контур площадью 1000 см2 находится в однородном магнитном поле с индукцией 0,5 Тл, угол между вектором В индукции и нормалью к поверхности контура 60°. Ка­ков магнитный поток через контур?

А. 250 Вб. Б. 1000 Вб. В. 0,1 Вб. Г. 2,5 · 10-2 Вб. Д. 2,5 Вб.

12. Какая сила тока в контуре индуктивностью 5 мГн создает магнитный поток 2 · 10-2 Вб?

А. 4 мА. Б. 4 А. В. 250 А. Г. 250 мА. Д. 0,1 А. Е. 0,1 мА.

13. Магнитный поток через контур за 5 · 10-2 с равномер­но уменьшился от 10 мВб до 0 мВб. Каково значение ЭДС в контуре в это время?

А. 5 · 10-4 В. Б. 0,1 В. В. 0,2 В. Г. 0,4 В. Д. 1 В. Е. 2 В.

14. Каково значение энергии магнитного поля катушки индуктивностью 5 Гн при силе тока в ней 400 мА?

А. 2 Дж. Б. 1 Дж. В. 0,8 Дж. Г. 0,4 Дж. Д. 1000 Дж. Е. 4·105 Дж.

15. Катушка, содержащая n витков провода, подключена к источнику постоянного тока с напряжением U на выходе. Каково максимальное значение ЭДС самоиндукции в катушке при увеличении напряжения на ее концах от 0 В до U В?

A, U В, Б. nU В. В. U/п В. Г. Может быть во много раз больше U, зависит от скорости изменения силы тока и от индуктивности катушки.

16. Две одинаковые лампы включены в цепь источника постоянного тока, первая последовательно с резистором, вторая последовательно с катушкой. В какой из ламп (рис. 1) сила тока при замыкании ключа К достигнет мак­симального значения позже другой?

А. В первой. Б. Во второй. В. В первой и второй одновременно. Г. В пер­вой, если сопротивление резистора больше сопротивления катушки. Д. Во второй, если сопротивление катушки больше сопротивления резистора.

17. Катушка индуктивностью 2 Гн включена параллельно с резистором электрическим сопротивлением 900 Ом, сила тока в катушке 0,5 А, электрическое сопротивление ка­тушки 100 Ом. Какой электрический заряд протечет в цепи катушки и резистора при отключении их от источника тока (рис. 2)?

А. 4000 Кл. Б. 1000 Кл. В. 250 Кл. Г. 1 • 10 -2 Кл. Д. 1,1 • 10-3 Кл. Е. 1 • 10-3 Кл.

18. Самолет летит со скоростью 900 км/ч, модуль вертикальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли 4 • 105 Тл. Какова разность потенциалов между концами крыльев самолета, если размах крыльев равен 50 м?

А. 1,8 В. Б. 0,9 В. В. 0,5 В. Г. 0,25 В.

19. Какой должна быть сила тока в обмотке якоря электромотора для того, чтобы на участок обмотки из 20 витков длиной 10 см, расположенный перпендикулярно век­тору индукции в магнитном поле с индукцией 1,5 Тл, действовала сила 120 Н?

А. 90 А. Б. 40 А. В. 0,9 А. Г. 0,4 А.

20. Какую силу нужно приложить к металлической пере­мычке для равномерного ее перемещения со скоростью 8 м/с по двум параллельным проводникам, располо­женным на расстоянии 25 см друг от друга в однородном магнитном поле с индукцией 2 Тл? Вектор индукции перпендикулярен плоскости, в которой расположены рельсы. Проводники замкнуты резистором с электрическим сопротивлением 2 Ом.

А. 10000 Н. Б. 400 Н. В. 200 Н. Г. 4 Н. Д. 2 Н. Е. 1 Н.

Тест 11-1(электромагнитная индукция)


Вариант 2

1. Как называется явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного по­тока через контур?

А. Электростатическая индукция. Б. Явление намагничивания. В. Сила Ампера. Г. Сила Лоренца. Д. Электролиз. Е. Электромагнитная индукция.

2. Выводы катушки из медного провода присоединены к чувствительному гальванометру. В каком из перечислен­ных опытов гальванометр обнаружит возникновение ЭДС электромагнитной индукции в катушке?


  1. В катушку вставляется постоянный магнит.

  2. Катушка надевается на магнит.

3)Катушка вращается вокруг магнита, находящегося
внутри нее.

А.В случаях 1, 2 и 3. Б. В случаях 1 и 2. В. Только в случае 1. Г. Только в случае 2. Д. Только в случае 3.

3. Каким из приведенных ниже выражений определяется магнитный поток?

A. BScosα. Б. . В. qvBsinα. Г. qvBI. Д. IBlsina.

4. Что выражает следующее утверждение: ЭДС индукции в замкнутом контуре пропорциональна скорости измене­ния магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром?

А. Закон электромагнитной индукции. Б. Правило Ленца. В. Закон Ома для полной цепи. Г. Явление самоиндукции. Д. Закон электролиза.

5. При вдвигании полосового магнита в металлическое кольцо и выдвигании из него в кольце возникает индук­ционный ток. Этот ток создает магнитное поле. Каким полюсом обращено магнитное поле тока в кольце к: 1) вдви­гаемому южному полюсу магнита и 2) выдвигаемому южному полюсу магнита.

A. 1 — северным, 2 — северным. Б. 1 — южным, 2 — южным.

B. 1 — южным, 2 — северным. Г. 1 — северным, 2 — южным.

6. Единицей измерения какой физической величины является 1 Вебер?

А. Индукции магнитного поля. Б. Электроемкости. В. Самоиндукции. Г. Магнитного потока. Д. Индуктивности.

7. Как называется единица измерения индуктивности?

А. Тесла. Б. Вебер. В. Гаусс. Г. Фарад. Д. Генри.

8. Каким выражением определяется связь энергии маг­нитного потока в контуре с индуктивностью L контура и силой тока I в контуре?

А. . Б. . В. LI2, Г. LI‘. Д. LI.

9.Какая физическая величина х определяется выражением х=для катушки из п витков.

А. ЭДС индукции. Б. Магнитный поток. В. Индуктивность. Г. ЭДС само­индукции. Д. Энергия магнитного поля. Е. Магнитная индукция.

10. Ниже перечислены свойства различных полей. Какими из них обладает вихревое индукционное электрическое поле?


  1. Линии напряженности обязательно связаны с электри­ческими зарядами.

  2. Линии напряженности не связаны с электрическими зарядами.

  3. Поле обладает энергией.

  4. Поле не обладает энергией.

  5. Работа сил по перемещению электрического заряда по замкнутому пути может быть не равна нулю.

  6. Работа сил по перемещению электрического заряда по любому замкнутому пути равна нулю.

А. 1, 4, 6. Б. 1, 3, 5. В. 1, 3, в. Г. 2, 3, 5. Д. 2, 3, 6. Е. 2, 4, 6.

11. Контур площадью 200 см2 находится в однородном магнитном поле с индукцией 0,5 Тл, угол между вектором В индукции и нормалью к поверхности контура 60°. Ка­ков магнитный поток через контур?

А. 50 Вб. Б. 2 · 10-2 Вб. В. 5 · 10-3 Вб. Г. 200 Вб. Д. 5 Вб.

12. Ток 4 А создает в контуре магнитный поток 20 мВб. Какова индуктивность контура?

А. 5 Гн. Б. 5 мГн. В. 80 Гн. Г. 80 мГн. Д. 0,2 Гн. Е. 200 Гн.

13. Магнитный поток через контур за 0,5 с равномерно уменьшился от 10 мВб до 0 мВб. Каково значение ЭДС в контуре в это время?

А. 5 · 10-3 В. Б. 5 В. В. 10 В. Г. 20 В. Д. 0,02 В. Е. 0,01 В.

14. Каково значение энергии магнитного поля катушки индуктивностью 500 мГн при силе тока в ней 4 А?

А. 2 Дж. Б. 1 Дж. В. 8 Дж. Г. 4 Дж. Д. 1000 Дж. Е. 4000 Дж.

15. Катушка, содержащая п витков провода, подключена к источнику постоянного тока с напряжением U на выхо­де. Каково максимальное значение ЭДС самоиндукции в катушке при уменьшении напряжения на ее концах от U В до 0 В?

A. U В. Б. nU В. В. U/n В. Г. Может быть во много раз больше U, зависит от скорости изменения силы тока и от индуктивности катушки.

16. В электрической цепи, представленной на рисунке 1, четыре ключа 1, 2, 3 и 4 замкнуты. Размыкание какого из четырех даст лучшую возможность обнаружить явление самоиндукции?

А. 1. Б. 2. В. 3. Г. 4. Д. Любого из четырех.

17. Катушка индуктивностью 2 Гн включена параллельно с резистором электрическим сопротивлением 100 Ом, сила тока в катушке 0,5 А, электрическое сопротивление ка­тушки 900 Ом. Какой электрический заряд протечет в це­пи катушки и резистора при отключении их от источника тока (рис. 2)?

А. 4000 Кл. Б. 1000 Кл. В. 250 Кл. Г. 1 • 10-2 Кл. Д. 1,1 • 10-3 Кл. Е. 1 • 10-3 Кл.

18. Самолет летит со скоростью 1800 км/ч, модуль вертикальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли 4 • 10-5 Тл. Какова разность потенциалов между кон­цами крыльев самолета, если размах крыльев равен 25 м?

А. 1,8 В. В. 0,5 В. В. 0,9 В. Г. 0,25 В.

19. Прямоугольная рамка площадью S с током I помеще­на в магнитном поле с индукцией В . Чему равен момент силы, действующей на рамку, если угол между вектором В и нормалью к рамке равен а?

A. IBS sin а. Б. IBS. В. IBS cos а. Г. I2BS sin а. Д. I2BS cos а.

20. По двум вертикальным рельсам, верхние концы кото­рых замкнуты резистором электрическим сопротивлением R, начинает скользить проводящая перемычка массой т и длиной I. Система находится в магнитном поле. Вектор индукции перпендикулярен плоскости, в которой расположены рельсы. Найдите установившуюся скорость и движения перемычки. Сила трения пренебрежимо мала.

А. . В. В. . Г. . Д. .

Ответы:


Номер вопроса и ответ

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

Вариант 1
Д
Г
Б
Б
Г
Б
Д
А
Д
В
Г
Б
В
Г
А
Б
Е
В
Б
Е

Вариант 2
Е
Б
А
А
В
Г
Д
Б
А
Г
В
Б
Д
Г
Г
А
Е
Б
В
А

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции в 1831 году, что стало большим прорывом и привело к изобретению электродвигателя и генератора. Закон электромагнитной индукции Фарадея описывает два явления: взаимодействие между проводником и магнитным полем и ЭДС, создаваемую магнитным полем, которая широко известна как Первый закон Фарадея и Второй закон Фарадея соответственно.

законы Фарадея:

После открытия Эрстеда, который показал, что проводник с током создает магнитное поле, Фарадей предположил, что магнитное поле должно также производить электрический ток.Он провел несколько экспериментов в своей лаборатории в Лондоне более 10 лет. Эти эксперименты в конечном итоге привели к открытию электромагнитной индукции .

Первый закон индукции Фарадея

Первый закон индукции Фарадея гласит, что «электродвижущая сила будет индуцироваться в проводе, помещенном в переменное магнитное поле». Это явление известно как электромагнитная индукция .

Статическое магнитное поле не вызывает индукции.Между магнитным полем и проводом должно быть относительное движение. Например, перемещается либо магнит, либо проволока, либо само магнитное поле должно изменяться или изменяться. Если есть изменяющееся магнитное поле, оно заставит заряженные частицы в проводе двигаться. Эта сила известна как электродвижущая сила.

Второй закон индукции Фарадея

Второй закон индукции Фарадея гласит, что «величина наведенной ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного поля, в которое помещен провод».

Уравнение закона Фарадея

ЭДС, индуцированная в катушке из-за изменения магнитного поля, определяется вторым законом электромагнитной индукции, который формирует связь между магнитным полем и наведенной ЭДС. Величину наведенной ЭДС можно сформулировать следующим образом:

Где e — величина наведенной ЭДС, ϕ — величина магнитного потока, связывающего катушку, а N — количество витков катушки.Отрицательный знак указывает на то, что индуцированный ток будет течь в направлении, противодействующем изменению магнитного поля.

Подробнее о направлении индуцированного тока в законе Ленца.

Уравнение закона Фарадея показывает, что ЭДС, индуцированная в катушке, может быть увеличена следующим образом:

  • Увеличение числа витков катушки.
  • Увеличение скорости относительного движения между катушкой и магнитным полем.Чем быстрее изменение магнитного поля, тем выше будет наведенная ЭДС.
  • Повышение напряженности магнитного поля. Чем выше поток, связывающий катушку, тем выше будет наведенная ЭДС.

Применение закона Фарадея

Электромагнитная индукция является основой электрических трансформаторов, двигателей и генераторов.

  • В трансформаторе электрическая энергия передается от первичной обмотки ко вторичной за счет электромагнитной индукции.
  • В электродвигателях и генераторах мощность передается от ротора к статору и наоборот за счет электромагнитной индукции.
  • В индукционных плитах используется принцип электромагнитной индукции.

Майкл Фарадей (22 сентября 1791 — 25 августа 1867)

Майкл Фарадей был английским физиком и химиком. Он открыл явление электромагнитной индукции в 1831 году. Кроме того, он придумал слова анод, катод и электролиз.Помимо этого, он также изобрел бензол.

Оксфордский университет присвоил ему почетную степень доктора гражданского права, от которой он отказался по некоторым причинам. В его честь названа единица емкости фарад.

Эксперименты Фарадея

Фарадей провел несколько экспериментов, чтобы подтвердить свою гипотезу. Первым из них была демонстрация электромагнитной индукции. Он намотал две катушки в железное кольцо. К одной из катушек были подключены батарея и переключатель, а к другой — гальванометр.Он обнаружил, что гальванометр отклоняется, когда он замыкает переключатель, и отклоняется в другом направлении, когда он размыкает переключатель.

Несколькими неделями позже он провел еще один эксперимент, в котором он переместил постоянный магнит к катушке, соединенной с гальванометром. Он обнаружил, что гальванометр отклоняется в одном направлении, когда магнит перемещается к катушке, и отклоняется в другом направлении, когда магнит перемещается. Эти два эксперимента привели к открытию закона Фарадея электромагнитной индукции.

Артикул:

10.3 Закон электромагнитной индукции Фарадея | Электромагнетизм

10.3 Закон электромагнитной индукции Фарадея (ESBPY)

Ток, индуцированный изменяющимся магнитным полем (ESBPZ)

В то время как удивительное открытие электромагнетизма Эрстедом проложило путь для более практического применения электричество, именно Майкл Фарадей дал нам ключ к практическому производству электричества: электромагнитная индукция .

Фарадей обнаружил, что когда он перемещал магнит рядом с проводом, на нем генерировалось напряжение. Если бы магнит был при неподвижном состоянии напряжение не генерировалось, напряжение существовало только во время движения магнита. Мы называем это напряжение наведенной ЭДС (\ (\ mathcal {E} \)).

Цепь, подключенная к чувствительному амперметру, будет регистрировать ток, если он настроен, как на этом рисунке, и магнит перемещается вверх и вниз:

Магнитный поток

Прежде чем мы перейдем к определению закона электромагнитной индукции Фарадея и примерам, нам сначала понадобится потратить некоторое время на изучение магнитного потока.Для петли площади \ (А \) при наличии форменной магнитное поле, \ (\ vec {B} \), магнитный поток (\ (φ \)) определяется как: \ [\ phi = BA \ cos \ theta \] Где: \ begin {align *} \ theta & = \ text {угол между магнитным полем B и нормалью к петле области A} \\ A & = \ text {область петли} \\ B & = \ text {магнитное поле} \ end {align *}

Единицей измерения магнитного потока является Вебер (Вб).

Вы можете спросить себя, почему включен угол \ (\ theta \). Поток зависит от магнитного поля, которое проходит через поверхность. Мы знаем, что поле, параллельное поверхности, не может вызвать ток, потому что оно не проходят через поверхность. Если магнитное поле не перпендикулярно поверхности, то есть составляющая который перпендикулярен и компонент, параллельный поверхности. Параллельный компонент не может вносить свой вклад в поток может только вертикальная составляющая.

На этой диаграмме мы показываем, что магнитное поле под углом, отличным от перпендикулярного, может быть разбито на компоненты. Компонент, перпендикулярный поверхности, имеет величину \ (B \ cos (\ theta) \), где \ (\ theta \) — угол между нормалью и магнитным полем.

временный текст
Закон электромагнитной индукции Фарадея

ЭДС \ (\ mathcal {E} \), создаваемая вокруг контура проводника, пропорциональна скорости изменения магнитный поток φ через область A петли.Математически это можно выразить как:

\ [\ mathcal {E} = -N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \]

где \ (\ phi = B · A \), а B — напряженность магнитного поля. \ (N \) — количество контуров схемы. Магнитное поле измеряется в теслах (Тл). Знак минус указывает направление и что индуцированный ЭДС имеет тенденцию противодействовать изменению магнитного потока. Знак минус можно игнорировать при вычислении величины.

temp text

Закон Фарадея связывает наведенную ЭДС со скоростью изменения магнитного потока, который является произведением магнитного поля и площадь поперечного сечения, через которую проходят силовые линии.

Это не площадь самого провода, а площадь, которую он ограничивает. Это означает, что если вы согнете провода в круг, площадь, которую мы будем использовать при вычислении потока, — это площадь поверхности круга, а не провод.

На этом рисунке, где магнит находится в той же плоскости, что и контур цепи, ток не будет даже если магнит перемещался все ближе и дальше. Это потому, что силовые линии магнитного поля не проходят через замкнутая территория, но параллельны ей.Силовые линии магнитного поля должны проходить через область, ограниченную контурная петля для наведения ЭДС.

Направление индуцированного тока (ESBQ2)

Самая важная вещь, которую следует помнить, — это то, что индуцированный ток противодействует происходящим изменениям.

На первом рисунке (слева) контурная петля имеет южный полюс приближающегося магнита. Величина поле от магнита становится больше. Отклик от индуцированной ЭДС будет заключаться в том, чтобы попытаться противостоять полю. к полюсу становится сильнее.Поле является векторным, поэтому ток будет течь в таком направлении, что поля из-за тока имеют тенденцию нейтрализовать поля от магнита, сохраняя результирующее поле неизменным.

Чтобы противостоять переходу от приближающегося южного полюса сверху, ток должен приводить к силовым линиям, которые отойти от приближающегося полюса. Следовательно, индуцированное магнитное поле должно иметь силовые линии, идущие вниз на внутренняя часть петли. Направление тока, указанное стрелками на контуре цепи, будет достигнуто.Проверьте это, используя Правило правой руки. Поместите большой палец правой руки в направлении одной из стрелок и обратите внимание на поле закручивается вниз в область, ограниченную петлей.

На второй диаграмме южный полюс удаляется. Это означает, что поле от магнита будет становиться слабее. Реакция на индуцированный ток будет заключаться в создании магнитного поля, которое добавляется к существующему. от магнита, чтобы сопротивляться его уменьшению в силе.

Другой способ представить ту же функцию — использовать полюса. Чтобы противостоять приближающемуся южному полюсу, течению индуцированное создает поле, которое выглядит как еще один южный полюс со стороны приближающегося южного полюса. Подобно отталкиванию полюсов, вы можете представить себе, как течение создает южный полюс, чтобы отразить приближающийся южный полюс. В на второй панели течение устанавливает северный полюс, чтобы привлечь южный полюс и остановить его движение.

Мы также можем использовать вариант правила правой руки, помещая пальцы в направлении тока к направьте большой палец в направлении силовых линий (или северного полюса).

Мы можем проверить все это на случаях, когда северный полюс перемещается ближе или дальше от цепи. Для В первом случае приближения северного полюса ток будет сопротивляться изменению, создавая поле в противоположное направление полю от усиливающегося магнита. Используйте Правило правой руки, чтобы подтвердить что стрелки создают поле с полевыми линиями, которые загибаются вверх в замкнутой области, отменяя те закручиваясь вниз от северного полюса магнита.

Подобно отталкиванию шестов, в качестве альтернативы проверьте, направив пальцы правой руки в направлении ток оставляет ваш большой палец направленным вверх, указывая на северный полюс.

Для второго рисунка, где северный полюс удаляется, ситуация обратная.

Направление индуцированного тока в соленоиде (ESBQ3)

Подход к изучению направления тока в соленоиде аналогичен подходу, описанному выше.Единственная разница в том, что в соленоиде есть несколько витков проволоки, поэтому величина наведенного ЭДС будет другой. Поток будет рассчитан с использованием площади поверхности соленоида, умноженной на количество петель.

Помните: направления токов и связанных с ними магнитных полей можно найти с помощью только Правило правой руки. Когда пальцы правой руки направлены в направлении магнитного поля, большой палец указывает в направлении тока.Когда большой палец направлен в направлении магнитного поле, пальцы указывают в направлении тока.

Направление тока будет таким, чтобы препятствовать изменению. Мы бы использовали установку, как в этом скетче, чтобы сделать тест:

В случае, когда северный полюс подводится к соленоиду, ток будет течь так, что северный полюс будет установлен на конце соленоида, ближайшем к приближающемуся магниту, чтобы оттолкнуть его (проверьте, используя Правый Правило руки):

В случае, когда северный полюс движется от соленоида, ток будет течь так, что южный полюс будет установлен на конце соленоида, ближайшем к удаляющемуся магниту, чтобы притягивать его:

В случае, когда южный полюс движется от соленоида, ток будет течь так, что северный полюс будет установлен на конце соленоида, ближайшем к удаляющемуся магниту, чтобы притягивать его:

В случае, когда южный полюс подводится к соленоиду, ток будет течь так, что южный полюс будет установлен на конце соленоида, ближайшем к приближающемуся магниту, чтобы оттолкнуть его:

временный текст

Простой способ создать магнитное поле изменяющейся интенсивности — это переместить постоянный магнит рядом с проводом или катушка с проволокой.Магнитное поле должно увеличиваться или уменьшаться по напряженности перпендикулярно проводу (так что силовые линии магнитного поля «пересекают» проводник), иначе не будет индуцироваться напряжение.

Индуцированный ток создает магнитное поле. Наведенное магнитное поле имеет направление, которое стремится к компенсируют изменение магнитного поля в петле из проволоки. Итак, вы можете использовать Правило правой руки, чтобы найти направление индуцированного тока, помня, что индуцированное магнитное поле противоположно по направлению к изменению магнитного поля.

Индукция

Электромагнитная индукция находит практическое применение при строительстве электрогенераторов, использующих механическая сила для перемещения магнитного поля мимо катушек с проволокой для генерации напряжения. Однако это отнюдь не единственное практическое применение этого принципа.

Если вспомнить, магнитное поле, создаваемое токоведущим проводом, всегда перпендикулярно проводу, и что сила потока этого магнитного поля зависит от величины тока, который проходит через него.Мы Таким образом, можно увидеть, что провод способен индуцировать напряжение на своей собственной длине , если ток равен меняется. Этот эффект называется самоиндукцией . Самоиндукция — это когда изменяющееся магнитное поле создается путем изменения тока через провод, вызывающего напряжение по длине того же провода.

Если магнитный поток усиливается за счет сгибания проволоки в форме катушки и / или наматывания этой катушки вокруг материала с высокой проницаемостью этот эффект самоиндуцированного напряжения будет более интенсивным.Устройство сконструированный так, чтобы воспользоваться этим эффектом, называется дросселем .

Помните, что индуцированный ток создает магнитное поле, препятствующее изменению магнитного потока. Это известно как закон Ленца.

Рабочий пример 1: закон Фарадея

Рассмотрим плоскую квадратную катушку с 5 витками. Катушка — это \ (\ text {0,50} \) \ (\ text {m} \) с каждой стороны и имеет магнитное поле \ (\ text {0,5} \) \ (\ text {T} \), проходящее через него.Плоскость катушки перпендикулярна магнитное поле: поле указывает за пределы страницы. Используйте закон Фарадея для расчета наведенной ЭДС, если магнитное поле увеличивается равномерно от \ (\ text {0,5} \) \ (\ text {T} \) до \ (\ text {1} \) \ (\ text {T} \) в \ (\ text {10} \) \ (\ text {s} \). Определите направление индуцированного тока.

Определите, что требуется

Мы обязаны использовать Закон Фарадея для расчета наведенной ЭДС.

Запишите закон Фарадея

\ [\ mathcal {E} = — N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \] Мы знаем, что магнитное поле расположено под прямым углом к ​​поверхности и поэтому выровнено с нормалью. Это означает нам не нужно беспокоиться об угле, который поле образует с нормалью и \ (\ phi = BA \). Стартовый или начальное магнитное поле, \ (B_i \), задается как конечная величина поля, \ (B_f \). Мы хотим определить величина ЭДС, поэтому мы можем игнорировать знак минус.2 (\ text {1} — \ text {0,50})} {\ text {10}} \\ & = \ текст {0,0625} \ текст {V} \ end {выровнять *}

Наведенный ток направлен против часовой стрелки, если смотреть со стороны нарастающего магнитного поля.

Рабочий пример 2: закон Фарадея

Рассмотрим соленоид из 9 витков с неизвестным радиусом \ (r \). На соленоид действует магнитное поле величиной \ (\ text {0,12} \) \ (\ text {T} \). Ось соленоида параллельна магнитному полю.Когда поле равномерно переключается на \ (\ text {12} \) \ (\ text {T} \) в течение 2 минут ЭДС с величиной \ (- \ text {0,3} \) \ (\ text {V} \) индуцируется. Определите радиус соленоида.

Определите, что требуется

Требуется определить радиус соленоида. Мы знаем, что связь между индуцированными ЭДС и поле регулируются законом Фарадея, который включает геометрию соленоида.Мы можем использовать это отношения, чтобы найти радиус.

Запишите закон Фарадея

\ [\ mathcal {E} = — N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \] Мы знаем, что магнитное поле расположено под прямым углом к ​​поверхности и поэтому выровнено с нормалью. Это означает нам не нужно беспокоиться об угле, который поле образует с нормалью и \ (\ phi = BA \). Стартовый или начальное магнитное поле \ (B_i \) задается как конечная величина поля, \ (B_f \).{- \ text {2}} \) \ (\ text {m} \). В соленоид подвергается воздействию переменного магнитного поля, которое равномерно изменяется от \ (\ text {0,4} \) \ (\ text {T} \) до \ (\ text {3,4} \) \ (\ text {T} \) в интервале \ (\ text {27} \) \ (\ text {s} \). Ось соленоида составляет угол \ (\ text {35} \) \ (\ text {°} \) к магнитному полю. Найдите наведенную ЭДС.

Определите, что требуется

Мы обязаны использовать Закон Фарадея для расчета наведенной ЭДС.

Запишите закон Фарадея

\ [\ mathcal {E} = — N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \] Мы знаем, что магнитное поле расположено под углом к ​​нормали к поверхности. Это означает, что мы должны учитывать угол, который поле образует с нормалью и \ (\ phi = BA \ cos (\ theta) \). Стартовый или начальный магнитный поле, \ (B_i \), задается как конечная величина поля, \ (B_f \). Мы хотим определить величину ЭДС, поэтому мы можем игнорировать знак минус.{- \ text {3}} \ text {V} \ end {выровнять *}

Наведенный ток направлен против часовой стрелки, если смотреть со стороны нарастающего магнитного поля.

временный текст
Реальные приложения

Следующие устройства используют в своей работе закон Фарадея.

  • индукционные плиты

  • магнитофонов

  • металлоискатели

  • трансформаторы

Реальные применения закона Фарадея

Выберите одно из следующих устройств и поищите в Интернете или библиотеке, как ваше устройство работает.В объяснении вам нужно будет сослаться на закон Фарадея.

  • индукционные плиты

  • магнитофонов

  • металлоискатели

  • трансформаторы

Закон Фарадея

Учебное упражнение 10.2

Изложите закон электромагнитной индукции Фарадея словами и запишите математическое соотношение.

ЭДС \ (\ mathcal {E} \), создаваемая вокруг контура проводника, пропорциональна скорости изменения магнитного потока φ через площадь A контура. Математически это можно выразить как:

\ [\ mathcal {E} = -N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \]

где \ (\ phi = B · A \), а B — напряженность магнитного поля. \ (N \) — номер цепи петли.Магнитное поле измеряется в теслах (Тл). Знак минус указывает направление и что наведенная ЭДС стремится противодействовать изменению магнитного потока. Знак минус можно игнорировать при расчете звездных величин.

Опишите, что происходит, когда стержневой магнит вдавливается в соленоид, подключенный к амперметр. Нарисуйте картинки, подтверждающие ваше описание.

В случае, когда северный полюс подводится к соленоиду, ток будет течь так, что северный полюс полюс установлен на конце соленоида, ближайшем к приближающемуся магниту, чтобы оттолкнуть его (проверьте используя Правило правой руки):

В случае, когда северный полюс движется от соленоида, ток будет течь так, что южный полюс полюс устанавливается на конце соленоида, ближайшем к удаляющемуся магниту, чтобы притягивать его:

В случае, когда южный полюс движется от соленоида, ток будет течь так, что северный полюс полюс устанавливается на конце соленоида, ближайшем к удаляющемуся магниту, чтобы притягивать его:

В случае, когда южный полюс подводится к соленоиду, ток будет течь так, что южный полюс полюс установлен на конце соленоида, ближайшем к приближающемуся магниту, чтобы оттолкнуть его:

Объясните, как магнитный поток может быть равен нулю, когда магнитное поле не равно нулю.

Поток связан с магнитным полем:

\ (\ phi = BA \ cos \ theta \)

Если \ (\ cos \ theta \) равно 0, то магнитный поток будет равен 0, даже если есть магнитное поле. В этом случае магнитное поле параллельно поверхности и не проходит через нее.

Используйте правило правой руки, чтобы определить направление индуцированного тока в соленоиде ниже.

Южный полюс магнита приближается к соленоиду. Закон Ленца говорит нам, что ток будет течь чтобы противостоять изменению. Южный полюс на конце соленоида будет противодействовать приближающемуся югу. столб. Ток будет циркулировать по странице в верхней части катушки, так что большой палец справа рука указывает налево.

Рассмотрим круговую катушку из 5 витков с радиусом \ (\ text {1,73} \) \ (\ text {m} \).Катушка подвергается к изменяющемуся магнитному полю, которое равномерно изменяется от \ (\ text {2,18} \) \ (\ text {T} \) до \ (\ text {12,7} \) \ (\ text {T} \) в интервале \ (\ text {3} \) \ (\ text {minutes} \). Ось соленоид составляет угол \ (\ text {27} \) \ (\ text {°} \) к магнитному полю. Найдите наведенную ЭДС.

Мы знаем, что магнитное поле расположено под углом к ​​нормали к поверхности.{2} \ cos (\ text {27}) (\ text {12,7} — \ text {2,18})} {\ text {3} \ times \ text {60}} \ right) \\ & = \ текст {2,45} \ текст {V} \ end {выровнять *}

\ begin {align *} \ mathcal {E} & = N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \\ & = N \ frac {\ phi_ {f} — \ phi_ {i}} {\ Delta t} \\ & = N \ frac {B_ {f} A \ cos \ theta — B_ {i} A \ cos \ theta} {\ Delta t} \\ & = N \ frac {A \ cos \ theta (B_ {f} — B_ {i})} {\ Delta t} \\ & = 11 \ left (\ frac {\ pi (\ text {13,8} \ times \ text {10} ^ {- \ text {2}}) ^ {2} \ cos (\ text {13}) ( \ text {2,7} — \ text {5,34})} {12} \ right) \\ & = — \ текст {0,14} \ текст {V} \ end {выровнять *}

Если угол изменить на \ (\ text {67,4} \) \ (\ text {°} \), какой радиус должен быть для ЭДС остаться прежней?

\ begin {align *} \ mathcal {E} & = N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \\ & = N \ frac {\ phi_ {f} — \ phi_ {i}} {\ Delta t} \\ & = N \ frac {B_ {f} A \ cos \ theta — B_ {i} A \ cos \ theta} {\ Delta t} \\ & = N \ frac {A \ cos \ theta (B_ {f} — B_ {i})} {\ Delta t} \\ — \ text {0,14} & = 11 \ left (\ frac {\ pi (r) ^ {2} \ cos (\ text {67,4}) (\ text {2,7} — \ text {5 , 34})} {12} \Правильно) \\ — \ text {1,68} & = — \ text {35,06} (r) ^ {2} \\ г ^ {2} & = \ текст {0,0479} \\ г & = \ текст {0,22} \ текст {м} \ end {выровнять *}

Найдите изменение потока, если ЭДС равна \ (\ text {12} \) \ (\ text {V} \) за период \ (\ text {12} \) \ (\ текст {s} \).

\ begin {align *} \ mathcal {E} & = N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \\ 12 & = 5 \ left (\ frac {\ Delta \ phi} {12} \ right) \\ \ Delta \ phi & = \ text {28,8} \ text {Wb} \ end {выровнять *}

Если угол изменить на \ (\ text {45} \) \ (\ text {°} \), какой временной интервал должен изменить на, чтобы наведенная ЭДС оставалась прежней?

\ begin {align *} \ mathcal {E} & = N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \\ & = N \ frac {\ phi_ {f} — \ phi_ {i}} {\ Delta t} \\ & = N \ frac {B_ {f} A \ cos \ theta — B_ {i} A \ cos \ theta} {\ Delta t} \\ & = \ cos \ theta \ times N \ frac {B_ {f} A — B_ {i} A} {\ Delta t} \ end {выровнять *}

Все значения остаются неизменными в двух описанных ситуациях, за исключением угла и время.Мы можем приравнять уравнения для двух сценариев:

\ begin {align *} \ mathcal {E} _1 & = \ mathcal {E} _2 \\ \ cos \ theta_1 \ times N \ frac {B_ {f} A — B_ {i} A} {\ Delta t_1} & = \ cos \ theta_2 \ times N \ frac {B_ {f} A — B_ {i} A} {\ Delta t_2} \\ \ cos \ theta_1 \ frac {1} {\ Delta t_1} & = \ cos \ theta_2 \ frac {1} {\ Delta t_2} \\ \ Delta t_2 & = \ frac {\ Delta t_1 \ cos \ theta_2} {\ cos \ theta_1} \\ \ Delta t_2 & = \ frac {(\ text {12} \ cos (\ text {45}} {\ cos (\ text {23})} \\ \ Delta t_2 & = \ text {9,22} \ text {s} \ end {выровнять *}

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 и витков, будет создана ЭДС, которая в Н в раз больше, чем для одиночной катушки, так что ЭДС прямо пропорциональна Н .Уравнение для ЭДС, вызванной изменением магнитного потока, равно

[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 было 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 противостоит 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. Определить направление магнитного поля Б.
  3. Определите, увеличивается или уменьшается поток.
  4. Теперь определите направление индуцированного магнитного поля B. Оно противодействует изменению магнитного потока путем добавления или вычитания из исходного поля.
  5. Используйте RHR-2 для определения направления 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 положительного вывода ЭДС и возвращающийся к его отрицательному выводу.

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 аудио и видео , записывающими лентами . 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 для записи и воспроизведения, используемые с аудио- и видеомагнитными лентами. (кредит: Стив Джурветсон)

Аналогичные принципы применимы и к жестким дискам компьютеров, но с гораздо большей скоростью. 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 видеолента, 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. (кредит: 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. По проводу, намотанному 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.

Подключение: сохранение энергии

Закон Ленца — это проявление 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 без видимого источника — закон сохранения энергии был бы нарушен.

Пример 1. Расчет ЭДС: насколько велика наведенная ЭДС?

Рассчитайте величину наведенной ЭДС, когда магнит, показанный 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.

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 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 на трубу, 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), каково направление тока, индуцируемого 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), в каком направлении индуцируется ток 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 перевернутой батареей.

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

6. Предположим, что 50-витковая катушка 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 Ссылаясь на ситуацию 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, наведенная в петле на рисунке 5 (b), зависит от расстояния центра петли от провода?

12. Integrated Concepts (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? (b) Обсудите обстоятельства, при которых такое напряжение может привести к заметным последствиям.

Глоссарий

Закон индукции Фарадея:
средство расчета 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) Нет наведенного тока

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

7. (a) 3,04 мВ (b) В качестве нижнего предела для кольца оценим 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 Авторы. 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 рассмотрим статус предмета — взаимосвязь между магнетизмом и электричеством как до, так и после статьи Фарадея, а также углубимся в детали ключевых экспериментов, которые он провел в Королевском институте, и ясно очерчивая, 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, 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» неожиданно дала натурфилософам (термин «ученые» появился только в 1834 г. 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 устойчивого 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 (от отсутствия до текущего и наоборот ) создавал временный магнитный эффект в непосредственной близости от него.

Сообщение об открытии 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).

В течение нескольких месяцев после открытия Эрстеда французский физик и математик Андре-Мари Ампер показал, что два токоведущих провода, помещенные параллельно близко друг к 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 был замечательным 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 небогата, 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, что 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 языком 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 настолько 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 улучшить качество 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 проводился.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 в области электричества

Статья, которой посвящена данная статья, является первой и самой известной из тридцати статей, которые Фарадей написал и опубликовал в журнале Philosophical Transactions Королевского общества. 1832 и 1856 под названием Experimental Researches in Electricity , 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 избивают, 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, — 9 апреля 1832 года. Изощренность, 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 токопроводящий провод или объект, создающий магнитное поле (постоянный магнит или другой провод, через который проходит электрический ток).

Первый эксперимент, обсуждаемый Фарадеем в статье, демонстрирует простую индукцию, и его стоит описать здесь. 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, и то же самое 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, разными 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 туда и обратно. 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 электричество напряжения или обычное электричество .Только когда он построил первую клетку Фарадея в 1836 году, он начал думать об электричестве как о силе, а не как о жидкости.

Затем он переходит к гораздо более эффективной версии своего первого эксперимента, в котором он пытается вызвать ток в катушке с проволокой 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. Можно почти почувствовать волнение, как пишет Фарадей:

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 иметь место «какой-то особый эффект, имеющий место во время формирования 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 торжественно 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 ссылается на него как на находящееся 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 на рисунке).

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, как известно, 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, несущих 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 посредством магнитоэлектрической индукции, очень прост, хотя его довольно трудно выразить ([9], §114).

Действительно, экспериментируя с двумя параллельными проводами, Фарадей заявляет: «Как Провода приблизились, индуцированный ток был в направлении , противоположном направлению , по отношению к индуцирующему току. 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 Первое действие индуцирующего тока было направлено противоположно второму, 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.

Применение открытий Фарадея быстро стало очевидным, когда другие ученые, инженеры и изобретатели начали работать над созданием все более совершенных электрических генераторов, которые могли бы найти практическое применение [11]. Например, французский производитель приборов Ипполит Пикси (1808–1835) построил примитивный электрический генератор еще в 1832 году, непосредственно основанный 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 использования 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 гальваниками 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, 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 катушки электромагнитного поля с автономным питанием, 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 О линиях силы Фарадея , из которой интересно процитировать следующее:

«Я попытался представить в удобной и управляемой форме те математические идеи, которые необходимы для изучения явлений электричества. Обычно это методы, предложенные 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 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» в отношении натурфилософов или химиков (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 Ханстина 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 регулярно ведет телевизионные документальные фильмы, в том числе номинированные на премию Bafta «Химия: изменчивая история» и «Шок» и «Трепет: история электричества» для BBC. В течение последних трех лет он вел 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]

Мягкий зеленый дизайн

История и качественная справка:

Производство электроэнергии в том виде, в каком мы ее знаем сегодня, основано на электромагнитная индукция.Джозеф Генри был первым физиком, открывшим электромагнитное индукции в 1831 г., однако открытие часто приписывают Майклу Фарадею, так как он был первым опубликовать статью и провел свой первый эксперимент по электромагнитной индукции на 29 августа 1831 г.


Силовые линии и уравнения Максвелла:

Фарадей объяснил электромагнитную индукцию, используя концепцию, названную силовые линии, которые были отвергнуты основными учеными из-за отсутствия математических доказательств до 1861 г., когда Джеймс Клерк Максвелл опубликовал набор из 20 дифференциалов уравнения.
Генрих Ленц в 1834 г. успешно описал «поток через цепь. (замкнутый контур) », а также направление индуцированного Электродвижущая сила и ток, вызванные Электромагнитная индукция.

Самый широко используемая версия, как указано ниже:

«Индуцированная электродвижущая сила в любой замкнутой цепи равна отрицательная скорость изменения магнитного потока через цепь.”

мажор Недостатком этой версии закона Фарадея является то, что она верна. только для бесконечно длинной петли замкнутого провода. В Уравнение Максвелла-Фарадея является более применимым на практике. версия закона Фарадея.

Количественный Анализ закона Фарадея:

Фарадея Закон индукции объясняет ток, индуцированный в петле проволока из-за изменения магнитного потока через поверхность на используя математическую сферическую поверхность, граница которой является проволочная петля (спермицидная гауссовская гарантия).При условии, что изменение магнитного потока вызвано движением поверхность, Магнитный поток через поверхность определяется как поверхностный интеграл.

d A : бесконечно малый участок поверхности подвижной поверхности

В : Магнитное поле как функция расстояния и времени.

При изменении потока Электродвижущая сила создается внутри петли.

dl: бесконечно малая длина дуги по проводу
E: электрическое поле

B: магнитный поле

ЭДС также представлена ​​как скорость изменения магнитного потока:

Для плотно намотанной проволоки состоит из одинаковых витков


N: количество витков

Хотя уравнение Фарадея легко вычислим, он практически бесполезен из-за ограничение, что это применимо только для бесконечно замкнутый цикл.Уравнение Максвелла-Фарадея представляет собой обобщение закона Фарадея, которое преодолевает это ограничение.

Уравнение Максвелла-Фарадея:

Уравнение Максвелла-Фарадея утверждает, что «изменяющееся во времени магнитное поле всегда сопровождается пространственно меняющимся, неконсервативным электрическое поле и наоборот ».

Математически,

Где:

E — электрическое поле

B — магнитное поле.

dℓ — это бесконечно малый векторный элемент контура

d A — это бесконечно малый векторный элемент поверхности


Используется правило правой руки чтобы получить направление и, следовательно, знак индуцированного текущий


физика, исторические открытия, эпистемологические проблемы и учебники

19

магнит на своей оси, производит любое индукционное воздействие на внешние по отношению к нему цепи; тогда

вышеописанные условия (§3088) не выполняются.Система силы около

магнита не должна рассматриваться как обязательно вращающаяся вместе с магнитом, любые

больше, чем лучи света, которые исходят от солнца, должны вращаться вокруг солнца

. Магнит может даже в некоторых случаях (§3097) рассматриваться как

, вращающийся за счет собственных сил и производящий полный электрический эффект, ощутимый на гальванометре

[42, §3090, стр. 336-337, исходный курсив ].

Здесь Фарадей говорит о силовых линиях, пересекающих проводящую цепь, тем самым вводя идею

о том, что силовые линии магнитного поля могут перемещаться.Однако это движение линий происходит

только при перемещении магнита, а не при его вращении. На языке полей это

просто означает, что, если рассматривать его как произвольную точку вне магнита, вращение магнита

не меняет значения магнитного поля, в то время как его перемещение изменяется.

Идея движущихся магнитных силовых линий неявно содержит проблему

«скорости магнитных силовых линий». Фарадей говорит об этом такими словами [октябрь 1850 г.]:

В космосе я полагаю, что магнитные силовые линии, не зависящие от материи или связанные с ней

(§2787, §2917), будут передавать свои изменения со скоростью света

или даже с более высокой скоростью или мгновенностью, которые, как мы предполагаем,

принадлежат линиям гравитирующей силы, и если это так, то магнитное возмущение

в одном месте будет ощущаться мгновенно во всем глобус [42, §2958, с.264;

курсив мой]

В двух приведенных выше цитатах мы находим две основные концепции: независимость линий магнитной силы

от материи; и, следовательно, их изменения передаются со скоростью света

или мгновенно. Это свойство магнитных силовых линий позволяет Faraday

хотя бы качественно описать все исследуемые явления. Фактически [январь 1832 г.]:

Чтобы доказать это с помощью обычного магнита, медный диск был приклеен к концу цилиндрического магнита

с бумагой; магнит и диск

вращались вместе, а коллекторы (прикрепленные к гальванометру) приводили в контакт

с окружностью и центральной частью медной пластины.Стрелка гальванометра

двигалась, как и в предыдущих случаях, и направление движения было таким же, как и у

, которое могло бы получиться, если бы медь только вращалась, а магнит

был зафиксирован. Не было и явной разницы в величине отклонения. Следовательно,

вращение магнита не влияет на результаты; для вращающегося и неподвижного

магнита

оказывают одинаковое воздействие на движущуюся медь [37, §218, с. 63].

Согласно Фарадею, этот эксперимент показывает, что магнитные силовые линии не вращаются

вместе с магнитом.Когда диск и магнит вращаются вместе, между ними нет относительного движения

. Тем не менее, поскольку существует индуцированный ток, мы должны заключить, что существует

относительного движения между диском и магнитными силовыми линиями, то есть что магнитные силовые линии

не вращаются вместе с магнитом. Вероятно, по этой причине Фарадей не провел эксперимент

, в котором вращается только магнит. Это объяснение Фарадея переведено на язык полей

с помощью трактовки, разработанной в разделе 8.4.

Два абзаца впереди, Фарадей пишет (январь 1832 г.):

То, что металл самого магнита может быть заменен движущимся цилиндром, диском

или проволокой, казалось неизбежным последствием, и все же тем, что демонстрируют

эффекты магнитоэлектрической индукции в яркой форме. Цилиндрический магнит имел

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

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

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

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

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

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

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

1821: Открытие электромагнитного вращения

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

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

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

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

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

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

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

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

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *