Як фарадей відкрив явище електромагнітної індукції. План-конспект уроку з фізики (11 клас) на тему: Відкриття електромагнітної індукції

>> Відкриття електромагнітної індукції

Глава 2. ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ

Досі ми розглядали електричні та магнітні поля, які не змінювалися з часом. Було з'ясовано, що електростатичне поле створюється нерухомими зарядженими частинками, а магнітне поле - що рухаються, тобто електричним струмом. Тепер познайомимося з електричними та магнітними полями, які змінюються з часом.

Найважливіший факт, який вдалося виявити, – це найтісніший взаємозв'язок між електричним та магнітним полями. Виявилося, що магнітне поле, що змінюється в часі, породжує електричне поле, а електричне поле, що змінюється, - магнітне . Без зв'язку між полями різноманітність проявів електромагнітних сил було б настільки великим, яким воно спостерігається насправді. Не існувало б ні радіохвиль, ні світла.

§ 8 ВІДКРИТТЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ

У 1821 р. М. Фарадей записав у своєму щоденнику: «Перетворити магнетизм на електрику». Через 10 років це завдання було ним вирішено.

Невипадково перший, вирішальний крок у відкритті нових властивостей електромагнітних взаємодій зроблено основоположником поглядів на електромагнітному полі М. Фарадеєм, який був у єдиній природі електричних і магнітних явищ. Завдяки цьому він і зробив відкриття, що увійшло в основу пристрою генераторів усіх електростанції світу, що перетворюють механічну енергію на енергію електричного струму. (Джерела, що працюють на інших принципах: гальванічні елементи, акумулятори тощо, - дають незначну частку електричної енергії, що виробляється.)

Електричний струм, розмірковував М. Фарадей, здатний намагнітити шматок заліза. Чи не може магніт, у свою чергу, спричинити появу електричного струму? Довгий час цей зв'язок виявити не вдавалося. Важко було додуматися до головного, а саме: магніт, що рухається, або магнітне поле, що змінюється в часі, може порушити електричний струм у котушці.

Якісь випадковості могли перешкодити відкриттю, показує наступний факт. Майже одночасно з Фарадеєм отримати електричний струм у котушці за допомогою магніту намагався швейцарський фізик Колладон. У ході роботи він користувався гальванометром, легка магнітна стрілка якого містилася усередині котушки приладу. Щоб магніт не безпосередньо впливав на стрілку, кінці котушки, куди Колладон вводив магніт, сподіваючись отримати в ній струм, були виведені в сусідню кімнату і там приєднані до гальванометра. Вставивши магніт у котушку, Колладон ішов у сусідню кімнату і засмучено переконувався, що гальванометр не показує струму. Варто б йому весь час спостерігати за гальванометром, а когось попросити зайнятися магнітом, чудове відкриття було б зроблено. Але цього не сталося. Магніт, що спочиває щодо котушки, не викликає в ній струму.

Новий період у розвитку фізичної науки починається з геніального відкриття Фарадеєм електромагнітної індукціїСаме у цьому відкритті яскраво виявилася здатність науки збагачувати техніку новими ідеями. Вже сам Фарадей передбачав з урахуванням свого відкриття існування електромагнітних хвиль. 12 березня 1832 р. він запечатав конверт із написом "Нові погляди, які підлягають нині зберіганню в запечатаному конверті в архівах Королівського товариства". Цей конверт був розкритий 1938 р. Виявилося, що Фарадей цілком ясно уявляв, що індукційні дії поширюються з кінцевою швидкістю хвильовим способом. "Я вважаю за можливе застосувати теорію коливань до поширення електричної індукції", - писав Фарадей. При цьому він вказував, що "на розповсюдження магнітного впливу потрібен час, тобто при впливі магніту на інший віддалений магніт або шматок заліза впливова причина (яку дозволю собі назвати магнетизмом) поширюється від магнітних тіл поступово і для свого поширення вимагає певного часу , яке, очевидно, виявиться дуже незначним. Я вважаю також, що електрична індукція поширюється так само. Я вважаю, що поширення магнітних сил від магнітного полюса схоже на коливання схвильованої водної поверхні або ж на звукові коливання частинок повітря".

Фарадей розумів всю важливість своєї ідеї і, не маючи можливості перевірити її експериментально, вирішив за допомогою цього конверта "закріпити відкриття за собою і, таким чином, мати право у разі експериментального підтвердження оголосити цю дату датою свого відкриття". Отже, 12 березня 1832 р. людство вперше дійшло ідеї існування електромагнітні хвилі.З цієї дати починається історія відкриття радіо.

Але відкриття Фарадея мало важливе значення у історії техніки. Воно справило величезний вплив і розвиток наукового світорозуміння. З цього відкриття у фізику входить новий об'єкт фізичне поле.Таким чином, відкриття Фарадея належить до тих фундаментальних наукових відкриттів, що залишають помітний слід у всій історії людської культури.

Син лондонського коваля палітурник народився Лондоні 22 вересня 1791 р. Геніальний самоучка у відсутності можливості навіть закінчити початкову школу і проклав шлях у науку сам. Під час навчання палітурній справі він читав книги, особливо з хімії, сам проробляв хімічні досліди. Слухаючи публічні лекції знаменитого хіміка Деві, він остаточно переконався, що його покликання - наука, і звернувся щодо нього з проханням прийняти працювати у Королівський інститут. З 1813, коли Фарадей був прийнятий в інститут лаборантом, і до самої смерті (25 серпня 1867) він жив наукою. Вже 1821 р., коли Фарадей отримав електромагнітне обертання, він поставив за мету " перетворити магнетизм на електрику " . Десять років пошуків та напруженої праці увінчалися відкриттям 29 серпня 1871 р. електромагнітної індукції.

"Двісті три фути мідного дроту в одному шматку були намотані на великий дерев'яний барабан; інші двісті три фути такого ж дроту були ізольовані у вигляді спіралі між витками першої обмотки, причому металевий контакт був усунений за допомогою шнурка. Одна з цих спіралей була з'єднана з гальванометром, а інша - з добре зарядженою батареєю зі ста пар пластин в чотири квадратні дюйми з подвійними мідними пластинами. Так описав Фарадей свій перший досвід з індукції струмів. Він назвав цей вид індукції вольта-електричної індукції. Далі він описує свій основний досвід із залізним кільцем - прототипом сучасного трансформатор.

"З круглого брускового м'якого заліза було зварено кільце; товщина металу дорівнювала семи восьмим дюймам, а зовнішній діаметр кільця - шести дюймам. На одну частину цього кільця були намотані три спіралі, що містять кожна близько двадцяти чотирьох футів мідного дроту, товщиною в одну. Спіралі були ізольовані від заліза і один від одного..., займаючи приблизно дев'ять дюймів по довжині кільця. мідного дроту у двох шматках, що утворював спіраль В, що мала однаковий напрямок зі спіралями А, але відокремлену від них на кожному кінці протягом приблизно півдюйма голим залізом.

Спіраль з'єднувалася мідними проводами з гальванометром, поміщеному на відстані трьох футів від заліза. Окремі спіралі з'єднувалися кінці з кінцями так, що утворювали загальну спіраль, кінці якої з'єднувалися з батареєю з десяти пар пластин чотири квадратних дюйми. Гальванометр реагував негайно, і до того ж значно сильніше, ніж це спостерігалося, як описано вище, при користуванні вдесятеро потужнішою спіраллю, але без заліза; однак, незважаючи на збереження контакту, дія припинялася. При розмиканні контакту з батареєю стрілка знову сильно відхилялася, але у напрямку, протилежному до того, що індукувалося в першому випадку".

Фарадей досліджував далі безпосереднім досвідом вплив заліза, вносячи всередину порожнистої котушки залізний стрижень, у разі "індукований струм чинив на гальванометр дуже сильну дію". "Подібна дія була потім отримана за допомогою звичайних магнітівФарадей назвав цю дію магнітоелектричною індукцією,вважаючи, що природа вольта-електричної та магнітоелектричної індукції однакова.

Всі описані досліди становлять зміст першого та другого розділів класичної праці Фарадея "Експериментальні дослідження з електрики", започаткованого 24 листопада 1831 р. У третьому розділі цієї серії "Про новий електричний стан матерії" Фарадей вперше намагається описати нові властивості тіл, що виявляються в електромагнітній індукції. Він називає цю виявлену їм властивість "електротонічним станом". Це перший зародок ідеї поля, яка сформувалася пізніше у Фарадея і вперше точно сформульована Максвеллом. Четвертий розділ першої серії присвячено поясненню явища Араго. Фарадей правильно зараховує це до індукційним і намагається з допомогою цього явища " отримати нове джерело електрики " . Під час руху мідного диска між полюсами магніту він отримав струм у гальванометрі за допомогою ковзних контактів. Це була перша Динамо машина.Фарадей резюмує результати своїх дослідів такими словами: "Цим було показано таким чином, що можна створити постійний струм електрики за допомогою звичайного магніту". Зі своїх дослідів з індукції в провідниках, що рухаються, Фарадей вивів залежність між полюсністю магніту, провідником, що рухається, і напрямом індукованого струму, тобто "закон, керуючий отриманням електрики за допомогою магнітоелектричної індукції". В результаті своїх досліджень Фарадей встановив, що "здатність індукувати струми проявляється по колу навколо магнітної рівнодіючої або силової осі точно так, як розташований по колу магнетизм виникає навколо електричного струму і виявляється" * .

* (М. Фарадей,Експериментальні дослідження з електрики, т. I, вид. АН СРСР, 1947, стор 57.)

Іншими словами, навколо змінного магнітного потоку виникає вихрове електричне поле, подібно до того, як навколо електричного струму виникає вихрове магнітне поле. Цей фундаментальний факт був узагальнений Максвеллом у вигляді двох рівнянь електромагнітного поля.

Вивченню явищ електромагнітної індукції, особливо індукційної дії магнітного поля Землі, присвячена також друга серія "Досліджень", розпочата 12 січня 1832 р. Третю серію, розпочату 10 січня 1833 р., Фарадей присвячує доказу тотожності, магнітоелектричного (тобто одержуваного за допомогою електромагнітної індукції). Фарадей приходить до висновку, що електрика, що отримується різними способами, якісно однакова, різниця в діях лише кількісна. Цим було завдано останнього удару концепції різних "флюїдів" смоляної та скляної електрики, гальванізму, тваринної електрики. Електрика виявилася єдиною, але полярною сутністю.

Дуже важлива п'ята серія "Досліджень" Фарадея, започаткована 18 червня 1833 р. Тут Фарадей починає свої дослідження електролізу, що привели його до встановлення знаменитих законів, що носять його ім'я. Ці дослідження були продовжені в сьомій серії, розпочатій 9 січня 1834 р. У цій останній серії Фарадей пропонує нову термінологію: полюси, що підводять струм в електроліт, він пропонує називати електродами,позитивний електрод називати анодом,а негативний - катодом,частинки відкладається речовини, що йдуть до анода він називає аніонами,а частинки, що йдуть до катода, - катіонами. Далі йому належать терміни електролітдля речовин, що розкладаються, іониі електрохімічні еквіваленти.Усі ці терміни міцно утрималися у науці. Фарадей робить правильний висновок із знайдених ним законів, що можна говорити про якесь абсолютній кількостіелектрики, пов'язаної з атомами звичайної матерії. "Хоча ми нічого не знаємо про те, що таке атом, - пише Фарадей, - але ми мимоволі уявляємо собі якусь малу частинку, яка є нашому розуму, коли ми про неї думаємо; правда, в такому ж чи ще більшому невіданні ми знаходимося щодо електрики, ми навіть не в змозі сказати, чи являє собою особливу матерію чи матерії, чи просто рух звичайної речовини, чи ще вид якоїсь сили чи агента, проте є величезна кількість фактів, які змушують нас думати, що атоми матерії якимось чином обдаровані електричними силами або пов'язані з ними і їм вони зобов'язані своїми найбільш чудовими якостями, а в тому числі своєю хімічною спорідненістю один до одного"*.

* (М. Фарадей,Експериментальні дослідження з електрики, т. I, вид. АН СРСР, 1947, стор 335.)

Таким чином, Фарадей виразно висловив ідею "електрифікації" матерії, атомної будови електрики, причому атом електрики, або, як висловлюється Фарадей, "абсолютна кількість електрики", виявляється "так само визначеним за своєю дією,як будь-яке з тих кількостей,які, залишаючись пов'язаними з частинками матерії, повідомляють їх хімічна спорідненість.Елементарний електричний заряд, як показав подальший розвиток фізики, може бути визначений із законів Фарадея.

Дуже важливе значення мала дев'ята серія "Досліджень" Фарадея. У цій серії, розпочатій 18 грудня 1834 р., йшлося про явища самоіндукції, про екстратоки замикання та розмикання. Фарадей вказує при описі цих явищ, що хоча їм притаманні риси інерції,однак від механічної інерції явище самоіндукції відрізняє той факт, що вони залежать від формипровідника. Фарадей зазначає, що "екстраток тотожний з... індукованим струмом" * . У результаті Фарадея склалося уявлення про дуже широке значення процесу індукції. У одинадцятій серії своїх досліджень, розпочатої 30 листопада 1837 р., він стверджує: " Індукція грає найзагальнішу роль переважають у всіх електричних явищах, беручи участь, очевидно, у кожному їх, і носить насправді риси найпершого і суттєвого початку " ** . Зокрема, на думку Фарадея, кожен процес зарядки є процесом індукції, зміщенняпротилежних зарядів: "речовини не можуть бути заряджені абсолютно, а тільки щодо, за законом, тотожним з індукцією. Будь-який заряд підтримується індукцією. Всі явища напругивключають початок індукцій" *** . Сенс цих тверджень Фарадея той, що всяке електричне поле ("явище напруги" - за термінологією Фарадея) обов'язково супроводжується індукційним процесом у середовищі ("зміщенням" - за пізнішою термінологією Максвелла). Цей процес визначається властивостями середовища Фарадея досвідом зі сферичним конденсатором визначив діелектричну проникність ряду речовин по відношенню до повітря.Ці експерименти зміцнили Фарадея в думці про істотну роль середовища в електромагнітних процесах.

* (М. Фарадей,Експериментальні дослідження з електрики, т. I, вид. АН СРСР, 1947, стор 445.)

** (М. Фарадей,Експериментальні дослідження з електрики, т. I, вид. АН СРСР, 1947, стор 478.)

*** (М. Фарадей,Експериментальні дослідження з електрики, т. I, вид. АН СРСР, 1947, стор 487.)

Закон електромагнітної індукції був значно розвинений російським фізиком Петербурзької Академії Емілієм Християновичем Ленцем(1804–1865). 29 листопада 1833 р. Ленц доповів Академії наук своє дослідження "Про визначення напрямку гальванічних струмів, що збуджуються електродинамічною індукцією". Ленц показав, що магнітоелектрична індукція Фарадея тісно пов'язана з електромагнітними силами Ампера. "Положення, за допомогою якого магнітоелектричне явище зводиться до електромагнітного, полягає в наступному: якщо металевий провідник рухається поблизу від гальванічного струму або магніту, то в ньому збуджується гальванічний струм такого напрямку, що якщо даний провідник був нерухомим, то струм міг би зумовити його переміщення в протилежний бік; при цьому передбачається, що провідник, що спочиває, може переміщатися тільки в напрямку руху або в протилежному напрямку" * .

* (Е. X. Ленц,Вибрані праці, Изд. АН СРСР, 1950, стор 148-149.)

Цей принцип Ленца розкриває енергетику індукційних процесів та відіграв важливу роль у роботах Гельмгольця щодо встановлення закону збереження енергії. Сам Ленц зі свого правила вивів добре відомий в електротехніці принцип оборотності електромагнітних машин: якщо крутити котушку між полюсами магніту, вона генерує струм; навпаки, якщо в неї надіслати струм, вона буде обертатися. Електродвигун можна звернути до генератора і навпаки. Вивчаючи дію магнітоелектричних машин, Ленц відкриває 1847 р. реакцію якоря.

У 1842-1843 pp. Ленц провів класичне дослідження "Про закони виділення тепла гальванічним струмом" (повідомлено 2 грудня 1842 р., опубліковано в 1843 р.), розпочате ним задовго до аналогічних дослідів Джоуля (повідомлення Джоуля з'явилося в жовтні 1841 р.) і продовжене їм Джоуля, "оскільки досліди останнього можуть зустріти деякі обґрунтовані заперечення, як це було показано нашим колегою паном акад. Гессом" * . Ленц вимірює величину струму за допомогою тангенс-бусолі - приладу, винайденого гельсингфорським професором Йоганном Нервандером (1805-1848), і в першій частині свого повідомлення досліджує цей прилад. У другій частині "Виділення тепла у дротах", доповіданої 11 серпня 1843 р., він приходить до свого знаменитого закону:

"
1. Нагрівання дроту гальванічним струмом пропорційно опору дроту.
2. Нагрівання дроту гальванічним струмом пропорційно квадрату службовця для нагрівання струму"**.

* (Е. X. Ленц,Вибрані праці, Изд. АН СРСР, 1950, стор 361.)

** (Е. X. Ленц,Вибрані праці, Изд. АН СРСР, 1950, стор 441.)

Закон Джоуля – Ленца зіграв важливу роль у встановленні закону збереження енергії. Весь розвиток науки про електричні та магнітні явища підводило до ідеї єдності сил природи, до ідеї збереження цих "сил".

Майже одночасно з Фарадеєм електромагнітну індукцію спостерігав американський фізик Джозеф Генрі(1797-1878). Генрі виготовив великий електромагніт (1828), який, живлячись від гальванічного елемента з малим опором, підтримував вантаж у 2000 фунтів. Про це електромагніт згадує Фарадей і вказує, що з його допомогою можна при розмиканні отримати сильну іскру.

Генрі вперше (1832) спостерігав явище самоіндукції, та його пріоритет відзначений найменуванням одиниці самоіндукції "генрі".

У 1842 р. Генрі встановив коливальний характеррозряду лейденської банки Тонка скляна голка, з допомогою якої він досліджував це, намагнічивалась з різною полярністю, тоді як напрямок розряду залишалося незмінним. "Розряд, яка б не була його природа, - робить висновок Генрі, - не представляється (користуючись теорією Франкліна. - П. К.) одиничним перенесенням невагомого флюїду з однієї обкладки на іншу; виявлене явище змушує нас допустити існування головного розряду в одному напрямку, а потім кілька дивних дій назад і вперед, кожна з яких є слабшою, ніж попередня, що триває доти, доки не настане рівновага».

Індукційні явища стають провідною темою у фізичних дослідженнях. У 1845 р. німецький фізик Франц Нейман(1798-1895) дав математичний вираз закону індукції,узагальнивши дослідження Фарадея та Ленца.

Електрорушійна сила індукції виражалася у Неймана у вигляді похідної за часом від деякої функції, що індукує струм, та взаємної зміни взаємодіючих струмів. Цю функцію Нейман назвав електродинамічний потенціал.Він також знайшов вираз для коефіцієнта взаємної індукції. У творі " Про збереження сили " 1847 р. Гельмгольц виводить неймановское вираз закону електромагнітної індукції з енергетичних міркувань. У цьому ж творі Гельмгольц стверджує, що розряд конденсатора є "не... простий рух електрики в одному напрямку, але... протягом його то в один, то в інший бік між двох обкладок у вигляді коливань, які робляться все менше і менше, поки, нарешті, вся жива сила буде знищена сумою опорів " .

У 1853 р. Вільям Томсон(1824-1907) дав математичну теорію коливального розряду конденсатора та встановив залежність періоду коливань від параметрів коливального контуру (формула Томсона).

У 1858 р. П. Блазерна(1836-1918) зняв експериментально резонансну криву електричних коливань, вивчаючи дію індукуючого розрядкою контуру, що містить батарею конденсаторів і замикає провідники на побічний контур, зі змінною довжиною провідника, що індукується. У тому ж 1858 р. Вільгельм Феддерсен(1832-1918) спостерігав іскровий розряд лейденської банки в дзеркалі, що обертається, а в 1862 р. він сфотографував зображення іскрового розряду в обертовому дзеркалі. Тим самим був коливальний характер розряду встановлено з повною очевидністю. Водночас експериментально було перевірено формулу Томсона. Так крок за кроком створювалося вчення про електричних коливань,складовий науковий фундамент електротехніки змінних струмів та радіотехніки.

Закон електромагнітної індукції – це формула, що пояснює утворення ЕРС у замкнутому контурі провідника за змін напруженості магнітного поля. Постулат пояснює роботу трансформаторів, дроселів та інших виробів, які сьогодні забезпечують розвиток техніки.

Історія Майкла Фарадея

Майкла Фарадея забрали зі школи разом із старшим братом, став приводом – дефект мови. Першовідкривач електромагнітної індукції картавив, дратуючи вчительку. Та дала грошей, щоб купили ціпок і висікли потенційного клієнта логопеда. Причому старшому братові Майкла.

Майбутній світило науки був воістину улюбленцем долі. На протяжності життєвого шляху він, за належної наполегливості, знаходив допомогу. Брат із зневагою повернув монету, повідомивши про інцидент матері. Сім'я не вважалася заможною, і батько, талановитий ремісник, важко зводив кінці з кінцями. Брати рано почали шукати роботу: сім'я жила на милостиню з 1801 року, Майклу на той час йшов десятий рік.

З тринадцяти Фарадей вступає до книжкової крамниці рознощиком газет. Через все місто ледве встигає за адресами на протилежних кінцях Лондона. Зважаючи на старанність господар Рібо дарує Фарадею місце учня палітурника на сім років безкоштовно. У давнину людина з вулиці платила майстру за процес придбання ремесла. Як і Георгу Ому вміння механіка, Фарадею в майбутньому процес палітурної справи став у нагоді повною мірою. Велику роль відіграв факт, що Майкл скрупульозно читав книги, які потрапляють до нього в роботу.

Фарадей пише, що однаково охоче вірив трактату місіс Марсет (Бесіди про хімію) та казкам Тисячі та однієї ночі. Бажання стати вченим відіграло у цій справі важливу роль. Фарадей обирає два напрями: електрику та хімію. У першому випадку основним джерелом знань є Британська енциклопедія. Допитливий розум вимагає підтвердження написаного, юний палітурник постійно перевіряє знання на практиці. Фарадей стає досвідченим експериментатором, що зіграє провідну роль щодо електромагнітної індукції.

Нагадаємо, що йдеться про учня без власного прибутку. Старший брат і батько посильно допомагали. Починаючи з хімічних реактивів і закінчуючи збиранням електростатичного генератора: для дослідів потрібне джерело енергії. Одночасно Фарадей примудряється відвідувати платні лекції природознавства та скрупульозно заносить знання до блокноту. Потім переплітає нотатки, користуючись набутими навичками. Термін учнівства закінчується 1812 року, Фарадей починає шукати роботу. Новий господар не настільки поступливий, і, незважаючи на перспективу стати спадкоємцем справи, Майкл на шляху до відкриття електромагнітної індукції.

Науковий шлях Фарадея

У 1813 році доля посміхається вченому, який дав світові уявлення про електромагнітну індукцію: вдається потрапити на місце секретаря до сера Хампфрі Деві, недовгий період знайомства в майбутньому зіграє роль. Фарадею нестерпно виконувати далі обов'язки палітурника, він пише листа Джозефу Бенксу, тодішньому президентові Королівського наукового товариства. Про характер діяльності організації розповість факт: Фарадей отримав місце, яке називається старший прислужник: допомагає лекторам, витирає пил з обладнання, стежить за транспортуванням. Джозеф Бенкс ігнорує послання, Майкл не сумує і пише Деві. Адже інших наукових організацій немає в Англії!

Деві ставиться з великою увагою, оскільки особисто знайомий із Майклом. Не будучи обдарованим від природи вмінням говорити – згадаємо про шкільний досвід – і викладати думки письмово, Фарадей бере спеціальні уроки у розвиток необхідних навичок. Досліди ретельно систематизує у блокноті, думки викладає у гуртку друзів та однодумців. На момент знайомства з сером Хампфрі Деві сягає незвичайної майстерності, той клопочеться про прийняття новоспеченого вченого на вищезгадану посаду. Фарадей радий, а спочатку фігурувала ідея призначити майбутнього генія мити посуд.

З волі року Майкл змушений слухати лекції на різні теми. Допомога професорам була потрібна лише періодично, в іншому допускалося перебувати в аудиторії та слухати. Враховуючи скільки коштує освіта в Гарварді, це стало непоганим дозвіллям. Через півроку блискучої роботи (жовтень 1813) Деві запрошує Фарадея в подорож Європою, війна закінчена, потрібно озирнутися. Це стало гарною школою першовідкривача електромагнітної індукції.

Після повернення до Англії (1816) Фарадей отримує звання лаборанта і публікує першу роботу з дослідження вапняку.

Дослідження електромагнетизму

Явище електромагнітної індукції полягає в наведенні ЕРС у провіднику під дією магнітного поля, що змінюється. Сьогодні на цьому принципі працюють прилади, починаючи трансформаторами та закінчуючи варильними панелями. Першість в області віддано Гансу Ерстеду, який 21 квітня 1820 року помітив дію замкнутого ланцюга на стрілку компаса. Подібні спостереження публікувалися у вигляді нотаток Джованні Доменіко Романьозі у 1802 році.

Заслуга датського вченого залучити до справі багатьох видатних учених. Отже, помічено, що стрілка відхиляється провідником зі струмом, і восени згаданого року з'явився перший гальванометр. Вимірювальний прилад на ниві електрики став великою підмогою багатьом. Принагідно висловлювалися різні точки зору, зокрема, Волластон оголосив, що непогано змусити провідник зі струмом обертатися безперервно під дією магніту. У 20-ті роки ХІХ століття навколо зазначеного питання панувала ейфорія, колись магнетизм і електрику вважалися незалежними явищами.

Восени 1821 року задум втілив у життя Майкл Фарадей. Стверджують, що тоді світ з'явився перший електричний двигун. 12 вересня 1821 року у листі Гаспару де ла Ріву Фарадей пише:

«Я з'ясував, що тяжіння та відштовхування магнітної стрілки дротом із струмом — дитяча забава. Якась сила буде обертати безперервно магніт під впливом електричного струму. Я побудував теоретичні викладки та зумів реалізувати на практиці».

Лист до де ла Рива не став випадковістю. У міру становлення на науковій ниві Фарадей знайшов чимало прихильників і єдиного непримиренного супротивника сера Хампфрі Деві. Експериментальна установка оголошена плагіатом ідеї Волластона. Орієнтовна конструкція:

1. Срібна чаша наповнена ртуттю. Рідкий метал має хорошу електропровідність і служить рухомим контактом.
2. На дні чаші знаходиться коржик воску, куди одним полюсом встромлять стрижневий магніт. Другий височить над поверхнею ртуті.
3. З висоти звисає провід, підключений до джерела. Кінець його занурений у ртуть. Другий провід – біля краю чаші.
4. Якщо пропускати через замкнутий ланцюг постійний електричний струм, провід починає описувати по ртуті кола. Центром обертання стає незмінний магніт.

Конструкцію називають першим у світі електричним двигуном. Але ефект електромагнітної індукції ще виявляється. В наявності взаємодія двох полів, не більше. Фарадей, до речі, не зупинився і зробив чашу, де провід нерухомий, а магніт рухається (утворюючи поверхню обертання – конус). Доведено, що немає принципової різниці між джерелами поля. Тому індукція називається електромагнітною.

Негайно Фарадея звинуватили у плагіаті і цькували кілька місяців, про що він з гіркотою писав довіреним друзям. У грудні 1821 року відбулася розмова з Волластоном, здавалося, інцидент вичерпано, але… трохи пізніше група вчених відновила нападки, головою опозиції став сер Хампфрі Деві. Сенс основних претензій полягав у протистоянні ідеї прийняття Фарадея до членів Королівського товариства. Це тяжким тягарем тиснуло на майбутнього відкривача закону електромагнітної індукції.

Відкриття закону електромагнітної індукції

На якийсь час Фарадей, здавалося, залишив ідею досліджень на ниві електрики. Сер Хампфрі Деві був єдиним, хто кинув кулю проти кандидатури Майкла. Можливо, колишній учень не хотів засмучувати покровителя, який на той час був президентом суспільства. Але постійно мукала думка про єдність природних процесів: якщо електрику вдалося перетворити на магнетизм, потрібно спробувати зробити протилежне.

Ця ідея зародилася - за деякими відомостями - в 1822 році, і Фарадей постійно носив із собою шматок залізняку, що нагадував, служив «вузликом на згадку». З 1825 року, будучи повноправним членом Королівського товариства, Майкл отримує посаду начальника лабораторії та негайно здійснює нововведення. Персонал тепер щотижня збирається на лекції з наочними демонстраціями приладів. Поступово вхід стає відкритим, навіть діти мають можливість випробувати нове. Ця традиція започаткувала знамениті п'ятничні вечори.

П'ять років займався Фарадей оптичним склом, група не досягла великих успіхів, але практичні результати були. Відбулася ключова подія – обривається життя Хампфрі Деві, який постійно чинив опір досвіду з електрикою. Фарадей відхиляє пропозицію про новий п'ятирічний контракт і починає тепер вже відкриту дослідження, які призвели прямісінько до магнітної індукції. Відповідно до літератури серія тривала 10 днів, нерівномірно розкиданих у період із 29 серпня до 4 листопада 1831 року. Фарадей визначає власну лабораторну установку:

З м'якого (з сильними магнітними властивостями) заліза круглого перерізу діаметром 7/8 дюйма я виготовив кільце із зовнішнім радіусом 3 дюйми. Фактично вийшов сердечник. Три первинні обмотки відокремлювалися один від одного бавовняною тканиною і кравецьким шнуром, щоб вдавалося об'єднати в одну або вживати окремо. Довжина мідного дроту в кожній становить 24 фути. Якість ізоляції перевірено за допомогою елементів живлення. Вторинна обмотка складалася з двох сегментів, по 60 футів завдовжки кожен, відстояла від первинної на відстань.

Від джерела (імовірно елемент Волластона), що мав у складі 10 пластин, площею по 4 квадратні дюйми кожна, подавалося харчування на первинну обмотку. Кінці вторинної закорочені шматком дроту, за три фути від кільця вздовж ланцюга розміщувалася стрілка компаса. При замиканні джерела живлення намагнічена голка негайно почала рухатися, і через інтервал поверталася на початкове місце. Очевидно, що первинна обмотка викликає відгук у вторинному. Зараз би сказали, що магнітне поле поширюється сердечником і наводить ЕРС на виході трансформатора.

Історія відкриття електромагнітної індукції. Відкриття Ганса Крістіана Ерстеда та Андре Марі Ампера показали, що електрика має магнітну силу. Вплив магнітних явищ на електричні було відкрито Майклом Фарадеєм. Ганс Крістіан Ерстед Андре Марі Ампер

Майкл Фарадей () "Перетворити магнетизм на електрику" - записав він у своєму щоденнику в 1822 році. Англійський фізик, основоположник вчення про електромагнітне поле, іноземний почесний член Петербурзької Академії Наук (1830).

Опис дослідів Майкла Фарадея На дерев'яний брусок намотані два мідні дроти. Один із дротів був з'єднаний з гальванометром, інший – з сильною батареєю. При замиканні ланцюга спостерігалася раптова, але надзвичайно слабка дія на гальванометрі, і та сама дія помічалася при припиненні струму. При безперервному проходженні струму через одну зі спіралей не вдалося виявити відхилення стрілки гальванометра.

Опис дослідів Майкла Фарадея Інший досвід полягав у реєстрації сплесків струму на кінцях котушки, всередину якої вставлявся постійний магніт. Такі сплески Фарадей назвав "хвилями електрики"

ЕРС індукції ЕРС індукції, що викликає сплески струму ("хвилі електрики") залежить не від величини магнітного потоку, а від швидкості його зміни.

1. Визначити напрямок ліній індукції зовнішнього поля (виходять з N і входять до S). 2.Визначити, збільшується або зменшується магнітний потік через контур (якщо магніт всувається в кільце, то Ф>0, якщо висувається, то Ф0, якщо висувається, то Ф0, якщо висувається, то Ф0, якщо висувається, то Ф0 якщо висувається, то Ф
3. Визначити напрямок ліній індукції магнітного поля, створеного індукційним струмом (якщо Ф>0, то лінії В і В направлені в протилежні сторони; якщо Ф 0, то лінії В і В направлені в протилежні сторони; якщо Ф 0, то лінії В і В направлені в протилежні сторони, якщо Ф 0, то лінії В і В направлені в протилежні сторони, якщо Ф 0, то лінії В і В направлені в протилежні сторони;

Запитання Сформулюйте закон електромагнітної індукції. Хто є основоположником цього закону? Що таке індукційний струм та як визначити його напрямок? Від чого залежить величина ЕРС індукції? Принцип дії яких електричних апаратів ґрунтується на законі електромагнітної індукції?