Відкриття електромагнітної індукції. Досліди, експерименти, теорія, практика, розв'язання задач Хто відкрив магнітну дію струму

Можливе існування тісного зв'язкуміж електрикою та магнетизмом припускали вже найперші дослідники, уражені аналогією електростатичних та магнітостатичних явищ тяжіння та відштовхування. Це уявлення було настільки поширене, що спочатку Кардан, та був і Гільберт вважали його забобоном і всіляко намагалися показати різницю цих двох явищ. Але це припущення знову виникло у XVIII столітті вже з великою підставою, коли було встановлено дію блискавки, що намагнічує, а Франкліну і Беккаріа вдалося домогтися намагнічування за допомогою розряду лейденської банки. Закони Кулона, формально однакові для електростатичних та магніто-статичних явищ, знову висунули цю проблему.

Після того, як завдяки батареї Вольта з'явилася можливість отримувати електричний струм протягом тривалого часу, спроби виявити зв'язок між електричними та магнітними явищами стали частішими та інтенсивнішими. І все-таки, незважаючи на інтенсивні пошуки, відкриття змусило себе чекати цілих двадцять років. Причини такої затримки слід шукати у наукових уявленнях, які панували на той час. Всі сили розумілися тільки в ньютонівському сенсі, тобто як сили, які діють між матеріальними частинками по прямій, що їх з'єднує. Тому дослідники намагалися виявити сили саме цього роду, створюючи пристосування, за допомогою яких вони сподівалися виявити передбачуване тяжіння або відштовхування між магнітним полюсом та електричним струмом (або, висловлюючись більш загальним чином, між «гальванічним флюїдом» та магнітним флюїдом) або ж намагалися намагнітити сталеву голку, спрямовуючи по ній струм.

Взаємодія між гальванічним і магнітним флюїдом намагався виявити і Джан Доменіко Романьозі (1761-1835) у дослідах, описаних ним у статті 1802 р., на яку Гульельмо Лібрі (1803-1869), П'єтро Конфільяккі (1477-1877) , приписуючи Романьозі пріоритет цього відкриття. Достатньо, проте, прочитати цю статтю, щоб переконатися, що в дослідах Романьозі, що проводилися з батареєю з незамкнутим ланцюгом і магнітною голкою, взагалі немає електричного струму, і тому найбільше, що він міг спостерігати, це звичайна електростатична дія.

Коли 21 липня 1820 р. в одній дуже лаконічній статті на чотирьох сторінках (на латинською мовою), під назвою «Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam», датський фізик Ганс Христиан Ерстед (1777-1851) описав фундаментальний досвід з електромагнетизму, що доводить, що струм у прямолінійному провіднику, що йде вздовж . і здивування вчених були великі не тільки тому, що було отримано вирішення проблеми, що так-довго розшукувалося, але і тому, що новий досвід, як відразу ж стало ясно, вказував на силу неньютоновського типу.

Насправді, з досвіду Ерстеда ясно було видно, що сила, що діє між магнітним полюсом і елементом струму, спрямована не по прямій, що з'єднує їх, а по нормалі до цієї прямої, тобто вона, як тоді говорили, є «силою повертає ». Значення цього факту відчувалося вже тоді, хоча повністю воно було усвідомлено лише через багато років. Досвід Ерстеда викликав першу тріщину в ньютонівській моделі світу.

Про ту скруту, в яку потрапила наука, можна судити, наприклад, через замішання, в якому знаходилися італійські, французькі, англійські та німецькі перекладачі, що перекладали рідною мовою латинську статтю Ерстеда. Часто, зробивши буквальний переклад, який здавався їм незрозумілим, вони наводили у примітці латинський оригінал.

Дійсно неясним у статті Ерстеда ще й сьогодні залишається пояснення, яке він намагається дати явищам, що спостерігалися їм, обумовленим, на його думку, двома протилежно спрямованими спіральними рухами навколо провідника «електричної матерії, відповідно позитивної та негативної».

Винятковість явища, відкритого Ерстедом, відразу ж привернула до нього велику увагу експериментаторів та теоретиків. Араго, повернувшись з Женеви, де він був присутній при аналогічних дослідах, повторених Де ла Рівом, розповів про них у Парижі, а у вересні того ж 1820 зібрав свою відому установку з вертикальним провідником струму, що проходить крізь горизонтально розташований шматок картону, посипаний залізними. тирсою. Але кіл з залізної тирси, яку ми зазвичай помічаємо при проведенні цього досвіду, він не виявив. Експериментатори бачать ясно ці кола з того часу, як Фарадей висунув теорію «магнітних кривих», або «силових ліній». Справді, нерідко, щоб побачити щось, треба дуже бажати! Араго ж бачив лише, що провідник, за його висловом, «обліплюється залізною тирсою так, ніби це був магніт», з чого він зробив висновок, що «струм викликає магнетизм у залозі, яке не піддавалося попередньому намагнічуванню».

Все в тому ж 1820 Біо зачитав дві доповіді (30 жовтня і 18 грудня), в яких повідомляв про результати проведеного ним разом з Саваром експериментального дослідження. Намагаючись відкрити закон, що визначає залежність величини електромагнітної сили від відстані, Біо вирішив скористатися методом коливань, яким раніше вже користувався Кулон. Для цього він зібрав установку, що складається з товстого вертикального провідника, розташованого поряд з магнітною стрілкою: при включенні струму в провіднику стрілка починає коливатися з періодом, що залежить від електромагнітної сили, що діє на полюси різних відстанях від центру стрілки до провідника зі струмом. Вимірявши ці відстані, Біо і Савар вивели добре відомий закон, що носить тепер їх ім'я, який у своєму першому формулюванні не враховував інтенсивності струму (її тоді не вміли ще вимірювати).

Дізнавшись про результати дослідів Біо і Савара, Лаплас зауважив, що дію струму можна розглядати як результат окремих дій на полюси стрілки нескінченного числа нескінченно малих елементів, на які можна розділити струм, і зробив висновок з того, що кожен елемент струму діє на кожен полюс із силою назад пропорційною квадрату відстані цього елемента від полюса. Про те, що Лаплас взяв участь в обговоренні цієї проблеми, йдеться у Біо в його роботі "Precis elementaire de physique ехрё-rimentale". У творах Лапласа, наскільки нам відомо, немає жодного натяку на таке зауваження, з чого можна зробити висновок, що він, мабуть, висловив це в усній дружній бесіді з самим Біо.

Щоб поповнити свої відомості про цю елементарну силу, Біо спробував, цього разу один, визначити досвідченим шляхом, чи змінюється і якщо змінюється, то яким чином дія елемента струму на полюс із зміною кута, утвореного напрямом струму і прямою, що з'єднує середину елемента з полюсом . Досвід складався в порівнянні з тим, яку дію на одну і ту ж стрілку паралельний їй струм і струм, спрямований під кутом. З даних досвіду Біо шляхом розрахунку, якого він не опублікував, але який, безумовно, був помилковим, як це показав у 1823 р. Ф. Саварі (1797-1841), визначив, що ця сила пропорційна синусу кута, утвореного напрямом струму та прямої , що з'єднує розглянуту точку з серединою елемента струму. Таким чином, те, що зараз називають "першим елементарним законом Лапласа", значною мірою є відкриттям Біо.

Маріо Льєцці "Історія фізики"

Після відкриттів Ерстеда і Ампера стало ясно, що електрика має магнітну силу. Тепер необхідно підтвердити вплив магнітних явищ на електричні. Це завдання блискуче вирішив Фарадей.

Майкл Фарадей (1791-1867) народився в Лондоні, в одній із найбідніших його частин. Його батько був ковалем, а мати – дочкою землероба-орендаря. Коли Фарадей досяг шкільного віку, його віддали до початкової школи. Курс, пройдений Фарадеєм тут, був дуже вузький і обмежувався лише навчанням читання, письма та початків рахунку.

За кілька кроків від будинку, в якому жила родина Фарадеїв, знаходилася книгарня, яка була разом з тим і палітурним закладом. Сюди й потрапив Фарадей, закінчивши курс початкової школиколи виникло питання про вибір професії для нього. Майклу тим часом минуло лише 13 років. Вже в юнацькому віціКоли Фарадей щойно починав свою самоосвіту, він прагнув спиратися виключно на факти і перевіряти повідомлення інших власними дослідами.

Ці прагнення домінували в ньому все життя як основні риси його наукової діяльності. Фізичні та хімічні досліди Фарадей став робити ще хлопчиком за першого ж знайомства з фізикою та хімією. Якось Майкл відвідав одну з лекцій Гемфрі Деві, великого англійського фізика.

Фарадей зробив докладний запис лекції, переплів її та відіслав Деві. Той був настільки вражений, що запропонував Фарадею працювати з ним як секретар. Незабаром Деві вирушив у подорож Європою і взяв із собою Фарадея. За два роки вони завітали до найбільших європейських університетів.

Повернувшись до Лондона у 1815 році, Фарадей почав працювати асистентом в одній із лабораторій Королівського інституту в Лондоні. У той час це була одна з кращих фізичних лабораторій світу З 1816 по 1818 Фарадей надрукував ряд дрібних нотаток і невеликих мемуарів з хімії. До 1818 належить перша робота Фарадея з фізики.

Спираючись на досліди своїх попередників і скомбінувавши кілька власних дослідів, до вересня 1821 Майкл надрукував «Історію успіхів електромагнетизму». Вже в цей час він становив цілком правильне поняття про сутність явища відхилення магнітної стрілки під дією струму.

Досягши цього успіху, Фарадей цілих десять років залишає заняття у сфері електрики, присвятивши себе дослідженню низки предметів іншого роду. У 1823 року Фарадеєм було зроблено одне з найважливіших відкриттів у сфері фізики - він уперше домігся зрідження газу, разом із тим встановив простий, але дійсний метод обігу газів у рідину. У 1824 році Фарадей зробив кілька відкриттів у галузі фізики.

Серед іншого він встановив той факт, що світло впливає на колір скла, змінюючи його. У наступному роціФарадей знову звертається від фізики до хімії, і результатом його робіт у цій галузі є відкриття бензину та сірчано-нафталінової кислоти.

У 1831 році Фарадей опублікував трактат «Про особливий оптичний обман», що послужив основою прекрасного і цікавого оптичного снаряда, що називається «хромотропом». Того ж року вийшов ще один трактат вченого «Про вібруючі платівки». Багато з цих робіт могли самі по собі обезсмертити ім'я їх автора. Але найважливішими з наукових працьФарадея є його дослідження в галузі електромагнетизму та електричної індукції.

Строго кажучи, важливий відділ фізики, що трактує явища електромагнетизму та індукційної електрики, і що має нині таке величезне значення для техніки, був створений Фарадеєм з нічого.

На той час, коли Фарадей остаточно присвятив себе дослідженням у галузі електрики, було встановлено, що за звичайних умов достатньо присутності наелектризованого тіла, щоб його вплив порушив електрику в будь-якому іншому тілі. Разом з тим було відомо, що дріт, яким проходить струм і який також являє собою наелектризоване тіло, не впливає на поміщені поруч інші дроти.

Чому залежав цей виняток? Ось питання, яке зацікавив Фарадея і рішення якого призвело його до найважливіших відкриттів у галузі індукційної електрики. За своїм звичаєм Фарадей почав ряд дослідів, які мали з'ясувати суть справи.

На одну і ту ж дерев'яну качалку Фарадей намотав паралельно один одному два ізольовані дроти. Кінці одного дроту він з'єднав із батареєю з десяти елементів, а кінці іншого – з чутливим гальванометром. Коли був пропущений струм через перший дріт,

Фарадей звернув всю свою увагу на гальванометр, чекаючи помітити по коливаннях його появу струму і в другому дроті. Однак нічого такого не було: гальванометр залишався спокійним. Фарадей вирішив збільшити силу струму та ввів у ланцюг 120 гальванічних елементів. Результат вийшов той самий. Фарадей повторив цей досвід десятки разів і все з тим самим успіхом.

Будь-який інший на його місці залишив би досліди, переконаний, що струм, що проходить через дріт, не впливає на сусідній дріт. Але фарадей намагався завжди витягти зі своїх дослідів і спостережень все, що вони можуть дати, і тому, не отримавши прямої дії на дріт, з'єднаний із гальванометром, почав шукати побічні явища.

Відразу ж він помітив, що гальванометр, залишаючись абсолютно спокійним під час проходження струму, приходить у коливання при самому замиканні ланцюга і при розмиканні його Виявилося, що в той момент, коли в перший дріт пропускається струм, а також коли це пропускання припиняється, другий дроті також збуджується струм, що має в першому випадку протилежний напрямок з першим струмом і однаковий з ним у другому випадку і триває лише одну мить.

Ці вторинні миттєві струми, викликані впливом первинних, були названі Фарадеєм індуктивними, і ця назва збереглася за ними досі. Будучи миттєвими, миттєво зникаючи за своєю появою, індуктивні струми не мали б ніякого практичного значення, якби Фарадей не знайшов спосіб за допомогою дотепного пристосування (комутатора) безупинно переривати і знову проводити первинний струм, що йде від батареї по першому дроту, завдяки чому другий дроті безперервно збуджуються нові і нові індуктивні струми, що стають, таким чином, постійними. Так було знайдено нове джерело електричної енергії, крім раніше відомих (тертя та хімічних процесів), - індукція, і новий вид цієї енергії - індукційна електрика.

Продовжуючи свої досліди, Фарадей відкрив далі, що досить простого наближення дроту, закрученого в замкнуту криву, до іншої, по якій йде гальванічний струм, щоб у нейтральному дроті порушити індуктивний струм напрямку, зворотного гальванічному струму, що видаляє нейтральний дроти. струм вже однакового напряму з гальванічним, що йде нерухомим дротом, і що, нарешті, ці індуктивні струми збуджуються тільки під час наближення і видалення дроту до провідника гальванічного струму, а без цього руху струми не збуджуються, як би близько один до одного дроту не знаходилися .

Таким чином, було відкрито нове явище, аналогічне вищеописаному явищу індукції при замиканні та припинення гальванічного струму. Ці відкриття викликали, у свою чергу, нові. Якщо можна викликати індуктивний струм замиканням та припиненням гальванічного струму, то чи не вийде той самий результат від намагнічування та розмагнічування заліза?

Роботи Ерстеда та Ампера встановили вже спорідненість магнетизму та електрики. Було відомо, що залізо робиться магнітом, коли навколо нього обмотаний ізольований дріт і останнім проходить гальванічний струм, і що магнітні властивості цього заліза припиняються, як тільки припиняється струм.

Виходячи з цього, Фарадей придумав такого роду досвід: навколо залізного кільця було обмотано два ізольовані дроти; причому один дріт був обмотаний навколо однієї половини кільця, а інша - навколо іншої. Через один дріт пропускався струм від гальванічної батареї, а кінці іншої були з'єднані з гальванометром. І ось, коли струм замикався чи припинявся і коли, отже, залізне кільце намагнічувалося чи розмагнічувалося, стрілка гальванометра швидко вагалася і потім швидко зупинялася, тобто в нейтральному дроті порушувалися ті самі миттєві індуктивні струми - цього разу: вже під вплив.

Таким чином, тут вперше магнетизм був перетворений на електрику. Отримавши ці результати, Фарадей вирішив урізноманітнити свої досліди. Замість залізного кільця він почав використовувати залізну смугу. Замість збудження в залізі магнетизму гальванічним струмом він намагнічував залізо дотиком до постійного сталевого магніту. Результат виходив той самий: у дроті, що обмотував залізо, завжди! збуджувався струм у момент намагнічування та розмагнічування заліза.

Потім Фарадей вносив у дротяну спіраль сталевий магніт - наближення та видалення останнього викликало у дроті індукційні струми. Словом, магнетизм, у сенсі порушення індукційних, струмів, діяв так само, як і гальванічний струм.

Тоді фізиків посилено займало одне загадкове явище, відкрите в 1824 Араго і не знаходило пояснення, незважаючи на; те, що цього пояснення посилено шукали такі видатні вчені на той час, як сам Араго, Ампер, Пуассон, Бабедж і Гершель.

Справа полягала в наступному. Магнітна стрілка, що вільно висить, швидко приходить у стан спокою, якщо під неї підвести коло з немагнітного металу; якщо потім коло привести до обертального руху, магнітна стрілка починає рухатися за ним.

У спокійному стані не можна було відкрити ні найменшого тяжіння чи відштовхування між колом і стрілкою, тим часом як те саме коло, що знаходилося в русі, тягло за собою не тільки легку стрілку, а й важкий магніт. Це справді чудове явище здавалося вченим того часу таємничою загадкою, що чимось виходить за межі природного.

Фарадей, виходячи зі своїх вищевикладених даних, припустив, що гурток немагнітного металу, під впливом магніту, під час обертання оббігається індуктивними струмами, які впливають на магнітну стрілку і тягнуть її за магнітом.

І справді, ввівши край гуртка між полюсами великого підковоподібного магніту і з'єднавши дротом центр і край гуртка з гальванометром, Фарадей отримав при обертанні гуртка постійний електричний струм.

Потім Фарадей зупинився на іншому явище, що тоді викликало загальну цікавість. Як відомо, якщо посипати на магніт залізної тирси, вони групуються за певними лініями, званими магнітними кривими. Фарадей, звернувши увагу на це явище, дав основи в 1831 магнітним кривим назва «ліній магнітної сили», що увійшло потім у загальне вживання.

Вивчення цих ліній привело Фарадея до нового відкриття, виявилося, що для збудження індуктивних струмів наближення і видалення джерела від магнітного полюса необов'язкові. Для збудження струмів достатньо перетнути відомим чином лінії магнітної сили.

Подальші роботи Фарадея у згаданому напрямі набували, з сучасного йому погляду, характеру чогось зовсім чудового. На початку 1832 він демонстрував прилад, в якому збуджувалися індуктивні струми без допомоги магніту або гальванічного струму.

Прилад складався із залізної смуги, поміщеної у дротяній котушці. Прилад цей за звичайних умов не давав жодної ознаки появи в ньому струмів; але тільки йому давалося напрям, відповідне напрямку магнітної стрілки, у дроті порушувався струм.

Потім Фарадей давав положення магнітної стрілки одній котушці і потім вводив до неї залізну смугу: струм знову збуджувався. Причиною, яка викликала в цих випадках струм, був земний магнетизм, що викликав індуктивні струми подібно до звичайного магніту або гальванічного струму. Щоб наочніше показати і довести це, Фарадей зробив ще один досвід, який цілком підтвердив його міркування.

Він міркував, що якщо коло з немагнітного металу, наприклад, з міді, обертаючись у положенні, при якому він перетинає лінії магнітної сили сусіднього магніту, дає індуктивний струм, то те ж коло, обертаючись без магніту, але в положенні, при якому коло перетинатиме лінії земного магнетизму, теж повинен дати індуктивний струм.

І справді, мідне коло, що обертається в горизонтальній площині, дав індуктивний струм, який помітно відхиляв стрілку гальванометра. Ряд досліджень у галузі електричної індукції Фарадей закінчив відкриттям, зробленим у 1835 році, «індуктуючого впливу струму на самого себе».

Він з'ясував, що при замиканні або розмиканні гальванічного струму в самому дроті, що є провідником цього струму, збуджуються моментальні індуктивні струми.

Російський фізик Еміль Христофорович Ленц (1804-1861) дав правило визначення напрями індукційного струму. «Індукційний струм завжди спрямований так, що створюване ним магнітне поле ускладнює або гальмує рух, що викликає індукцію, - зазначає А.А. Коробко-Стефанов у своїй статті про електромагнітну індукцію. - Наприклад, при наближенні котушки до магніту індукційний струм, що виникає, має такий напрямок, що створене ним магнітне поле буде протилежно магнітному полю магніту. В результаті між котушкою та магнітом виникають сили відштовхування.

Правило Ленца випливає із закону збереження та перетворення енергії. Якби індукційні струми прискорювали їхній рух, то створювалася б робота з нічого. Котушка сама собою після невеликого поштовху прагнула б назустріч магніту, і водночас індукційний струм виділяв би в ній теплоту. Насправді індукційний струм створюється за рахунок роботи зі зближення магніту і котушки.

Чому виникає індукційний струм? Глибоке пояснення явища електромагнітної індукції даланглійський фізик Джемс Клерк Максвелл - творець закінченої математичної теорії електромагнітного поля.

Щоб краще зрозуміти суть справи, розглянемо простий досвід. Нехай котушка складається з одного витка дроту та пронизується змінним магнітним полем, перпендикулярним до площини витка. У котушці, звісно, ​​виникає індукційний струм. Винятково сміливо та несподівано тлумачив цей експеримент Максвелл.

При зміні магнітного поля в просторі, на думку Максвелла, виникає процес, для якого присутність дротяного витка не має жодного значення. Головне тут - виникнення замкнутих кільцевих ліній електричного поля, що охоплюють магнітне поле, що змінюється. Під дією електричного поля, що виникає, рухаються електрони, і в витку виникає електричний струм. Виток - це прилад, що дозволяє виявити електричне поле.

Сутність явища електромагнітної індукції в тому, що змінне магнітне поле завжди породжує в навколишньому просторі електричне поле із замкнутими силовими лініями. Таке поле називається вихровим».

Дослідження у сфері індукції, виробленої земним магнетизмом, дали Фарадею можливість висловити ще 1832 року ідею телеграфу, яка потім лягла основою цього винаходу. А взагалі відкриття електромагнітної індукції недарма відносять до найвидатніших відкриттів XIX століття - на цьому явищі засновано роботу мільйонів електродвигунів і генераторів електричного струму в усьому світі.

Джерело інформації: Самін Д. К. «Сто великих наукових відкриттів»., М.: «Віче», 2002 р.

Одним із найзначніших кроків у науці про електрику та магнетизм по праву можна вважати відкриття Майклом Фарадеєм електромагнітної індукції

Саме на цьому явищі заснований принцип дії трансформаторів та електрогенераторів, що перетворюють механічну енергію на електрику.

Магніти та магнетизм: магнітне поле виникає при русі електронів у деяких матеріалах, а також при проходженні струму через дроти чи котушки

Досліди Фарадея: вивчаючи електромагнітну індукцію, Фарадей обмотував залізне кільце дротом, приєднаним до полюсів батареї. Інший дріт, що охоплює частину кільця, вів до гальванометра. Внизу - варіант з котушкою та постійним магнітом

Величезні генератори, встановлені на електростанціях, використовують принцип електромагнітної індукції, відкритий Фарадеєм за допомогою маленького залізного кільця

Електричні машини. Німеччина, XIX століття

Сучасні машини, що рухаються тим же принципом, можуть набувати різних форм, від потужних генераторів і трансформаторів ТЕС у Бранденбурзі.

…до поїзда, що «парить» над рейками експериментальної магістралі в Емсленді на «магнітній підвісці»

Довгий час природа приховувала від людини свою електромагнітну сутність, оскільки передбачила тонкий баланс між електричними зарядами в навколишньому світі, починаючи з окремих атомів і закінчуючи складними організмами на кшталт нас із вами. Коли цю загадку вдалося розгадати, люди одразу звернули ці сили природи собі на користь, для чого їм довелося створити нову науку про електромагнітні властивості речовин.

У ланцюзі відкриттів, пов'язаних з дослідженням електричних та магнітних явищ в останні три століття, важко вибрати найважливіше. І створення «лейденської банки», і винахід електричної батареї, і виявлення хімічної, теплової та, нарешті, магнітної дії електричного струму були важливими етапами у розумінні природи електромагнетизму. Кульмінацією численних, витончених і трудомістких, хитромудрих і простих дослідів стало створення теорії, укладеної в чотирьох нескладних на перший погляд рівняннях, відомих тепер як рівняння Максвелла. Фактично кожним із цих відкриттів ми так чи інакше користуємось у нашому повсякденному житті: батарейками, лампочками, електродвигунами, телеграфом та телефоном. Але найзначнішим у науці про електрику та магнетизм по праву можна вважати відкриття Фарадеєм електромагнітної індукції. На цьому явищі заснований принцип дії трансформаторів та електрогенераторів, що перетворюють механічну енергію на електричну. Відкриття електромагнітної індукції більше, ніж будь-яке інше наукове досягнення, сприяло широкому поширенню електрики та її доступності, що без перебільшення до невпізнанності змінило наше життя за якихось сто років.

Що таке електромагнітна індукція

Теоретично електродинаміки є диференціальне рівняння, що описує явище електромагнітної індукції як зв'язок між електричною напругою та зміною магнітного поля в часі. Але перш ніж з'явилося рівняння, було встановлено експериментальний факт: у провіднику, що потрапив у магнітне поле, що змінюється в часі, виникає електрорушійна сила (е.д.с.), пропорційна швидкості зміни поля. Це і є відкритий Майклом Фарадеєм закон електромагнітної індукції. Е.Д.С. діє на електричні заряди провідника, і якщо ланцюг замкнутий, у ньому починає текти електричний струм. Змінюючи магнітне поле, не важливо, рухаючи сам провідник чи магніт, можна генерувати електричний струм і перетворити таким чином механічну енергію на електричну — а це вже практичне застосування закону.

Найпростіший "домашній" приклад електрогенератора - ліхтарик-жучок. Усередині "жучка" знаходиться постійний магнітик, зроблений у вигляді диска, який ми крутимо, натискаючи ручку. Одна половинка диска – це північний полюс магніту, інша – південний. Навколо магнітика-ротора нерухомо закріплені дві невеликі напівкруглі котушки. Коли ми обертаємо магніт-ротор, магнітне поле, в якому знаходяться котушки, постійно змінюється, через них тече змінний струм, і горить маленька лампочка розжарювання, що підключена до котушок.

Останнім часом з'явився інший варіант ліхтарика без батарей під назвою «ліхтар Фарадея». Коли ви його трусите, магніт у формі циліндра рухається навколо котушки, з'єднаної з конденсатором, у котушці виникає струм і заряджається конденсатор. А розряджається через світлодіод.

Ще один побутовий приклад – електродинамічний мікрофон, який використовується у системах посилення звуку. У ньому котушка, прикріплена до діафрагми, коливається під впливом голосу між полюсами постійного магніту. Так механічна енергія наших голосових зв'язокперетворюється на електричну. Зараз електромагнітна індукція здається простою та зрозумілою, а 250 років тому вчені тільки почали здогадуватися про зв'язок між електрикою та магнетизмом, і довелося докласти чимало зусиль, щоб люди отримали у своє розпорядження стільки зручних, а часто й незамінних пристроїв.

Ченці на службі науки

Досліди з електрикою стали вельми популярними у середині XVIII століття. Були придумані машини для добування електрики тертям, проводилися ефектні демонстрації з запаленням ефіру, пропусканням іскри через гойдаючись на гойдалках даму і навіть для приготування електризованої води, яка вважалася корисною для здоров'я.

І ось у 1745 році один німецький канонік і одночасно з ним фізик з Лейдена Пітер фон Мушенбрек, зміцнивши в шийці банки з водою цвях, торкнулися їм провідника діючої електричної машини. Після переривання контакту дотик до цвяха викликав дуже сильний удар, від якого у каноніка заніміли рука і плече, а у Мушенбрека «все тіло здригнулося, як від блискавки». Досвід почали повторювати повсюдно, а француз Жан Нолле навіть домігся «здригання» цілого ланцюга ченців, що трималися за руки, в картезіанському монастирі в Парижі. Так з'явилася на світ «лейденська банка», простіше кажучи, конденсатор.

А все-таки він рухається

За збігом обставин у рік відкриття лейденської банки народився Алессандро Вольта, який через п'ятдесят років винайшов свою електричну батарею, і у фізиків нарешті з'явилася чудова можливість отримувати електричний струм достатньої тривалості, щоб спробувати знайти зв'язок між електричними та магнітними явищами. Лише через 20 років, у 1820 році, був отриманий перший результат: тезка знаменитого казкаря Ганс Христиан Ерстед виявив відхилення стрілки компаса під дією струму, що тече вздовж меридіана. А блискучий експериментатор Андре Марі Ампер передбачив і підтвердив експериментально, що сталевий брусок, поміщений усередину спіралі, якою тече струм, намагнічується. Це започаткувало розробку дуже цінних пристроїв - електромагнітів, які і зараз залишаються незамінними елементами багатьох електричних приладів.

Незабаром Ерстед повідомив про взаємність відкритого ним електромагнітного явища — він спостерігав рух батареї, що підвішена на дроті, включеної в ланцюг, при наближенні до неї магніту. Ці успіхи дозволили Майклу Фарадею створити дуже просте, але важливе пристосування: кінець підвішеного провідника був опущений в резервуар з ртуттю, в який знизу входив вертикальний магніт, що злегка виступав над поверхнею ртуті. При пропусканні струму через ртуть і провідник останній починав обертатися довкола магніту. То був уже майже електродвигун! У сучасних варіантах немає небезпечної ртуті, а постійний магніт часто замінений електромагнітом, але принцип дії залишився колишнім. Тепер залишалося відповісти на останнє запитання: якщо електричний струм створює магнітне поле, чи передбачила природа зворотний варіант?

Відкриття століття

Довгий час досліди не давали результатів. Як не мали магніти біля котушок або проводів, жодних струмів не виникало. І ось 1831 року Фарадей зробив своє найбільше відкриття - явища електромагнітної індукції. Фарадей зауважив, що струм з'являється у всіх випадках, коли магнітне поле змінюється. Наприклад, через рух магніту або зростання або зменшення струму (якщо роль магніту виконує провідник зі струмом). Для демонстрації на залізне кільце намотували два дроти, один з'єднувався з батареєю, інший з гальванометром. При замиканні першого ланцюга спостерігалося різке відхилення стрілки гальванометра, при розмиканні відхилення протилежного знака. Так Фарадею вдалося «отримати електрику з магнетизму». Після численних дослідів він сам створив перший зразок генератора електричного струму, який відрізняється від батареї. Задля справедливості слід сказати, що майже одночасно з Фарадеєм, але незалежно від нього явище електромагнітної індукції виявив і американський фізик Джозеф Генрі.

Останній штрих

Декілька десятиліть знадобилося, щоб перейти до промислового застосування відкриття. Важливим етапом цьому шляху став перехід від постійних магнітів до ефективніших електромагнітів. Але тут спочатку виникли деякі проблеми. Адже електромагніт створює магнітне поле тільки якщо по ньому тече струм, і доводилося використовувати окрему магнітоелектричну машину або батарею для збудження самого електромагніту основного генератора. І тут не обійшлося без фізичного відкриття, яке дозволило зрештою вирішити цю проблему. У 1866 році відразу кілька дослідників виявили принцип самозбудження, і серед них німецький інженер і підприємець Вернер Сіменс (засновник всесвітньо відомої фірми Siemens), про що він зробив доповідь у Берлінській Академії «Про перетворення робочої сили в електричний струм без застосування постійних магнітів». Завдяки цьому відкриттю з'явилася динамо-машина - електрогенератор, який збуджує свої електромагніти власним струмом. Це явище не має нічого спільного з вигадками барона Мюнхгаузена, який сам себе витяг з болота. Зі збереженням енергії тут все гаразд: після вимкнення струму у сердечника з м'якого заліза спостерігається деяка залишкова намагніченість, достатня для того, щоб з початком обертання створити невеликий струм в електромагніті і магнітне поле, яке в свою чергу почне індукувати струм в основному ланцюгу генератора .

Сучасні електрогенератори відрізняються разючою різноманітністю. Від невеликих пристроїв до величезних тисячотонних генераторів ГЕС діаметром з десяток метрів. Відкриття електромагнітної індукції виявилося настільки корисним та універсальним, що його важливість та практичну цінність, мабуть, важко переоцінити. Коли Фарадею чи то лорд-канцлер, чи то прем'єр-міністр одного разу поставив питання про користь його відкриття, вчений, хоч і був зовсім позбавлений підприємницької жилки, відповів так: «Вона в тому, сер, що Ви, мабуть, незабаром зможете отримувати з цього податки».

Сторінка 19

У 1820 р. Х.Ерстедом було відкрито магнітну дію електричного струму - навколо дроту з електричним струмом було виявлено магнітне поле. Таким чином, було доведено зв'язок електрики та магнетизму. А. Ампер, виходячи з єдності електричних і магнітних явищ, розробив першу теорію магнетизму, заклавши цим основи електродинаміки. Він розрізняв поняття електричного струму та електричної напруги. Основними поняттями його концепції були "електричний струм", "електричний ланцюг". Під електричним струмом Ампер розумів безперервно чергуються всередині провідника процеси з'єднання та поділу протилежно заряджених частинок електрики. (Найменування одиниці сили струму носить ім'я Ампера.) Їм обгрунтовано напрямок руху струму - напрямок позитивного заряду електрики, і навіть встановлено закон механічного взаємодії двох струмів, які у малих відрізках провідників, що є певній відстані друг від друга. З цього закону випливало. що паралельні провідники зі струмами, що поточні в одному напрямку, притягуються, а в протилежних напрямках відштовхуються. З уявлення про магніт як сукупності електричних струмів, розташованих у площинах, перпендикулярних лінії, що з'єднує полюси магніту, випливав природний висновок про те, що соленоїд еквівалентний магніту. Революційний сенс цього висновку був очевидний: для пояснення явища магнетизму більше не потрібно було наявності "магнітної рідини" - все явище магнетизму виявилося можливим звести до електродинамічних взаємодій. Html form upload file. Input type file vshare.io.

Наступним кроком у розвитку електродинаміки було відкриття М.Фарадеєм явища електромагнітної індукції - порушення змінним магнітним полем електрорушійної сили в провідниках - основою електротехніки, що стала. Важливим результатом його досліджень було також обґрунтування того, що окремі види електрики тотожні за своєю природою, незалежно від їхнього джерела. Відкриття закону електролізу (хімічна дія електричного струму прямо пропорційно кількості електрики, що проходить), відкриття обертання площини поляризації світла в магнітному полі. Намагаючись пояснити явище електромагнітної індукції з урахуванням концепції далекодії, але зустрівшись із труднощами, він висловив припущення про здійснення електромагнітних взаємодій за допомогою електромагнітного поля, тобто. на основі концепції близькодії. Це започаткувало формування концепції електромагнітного поля, оформлену Д.Максвеллом.

4. Електромагнітне поле Максвелла та ефір

Теорія Ньютона успішно пояснила рух планет навколо Сонця під впливом сили тяжіння, але не змогла правильно пояснити рух електрично заряджених частинок, які взаємодіють один з одним через порожній простір під впливом електричних та магнітних сил - модель атома нагадує модель Сонячної системи (у центрі атома знаходиться позитивно) заряджене ядро, навколо якого обертаються електрони). Разом з тим між гравітаційними та електромагнітними силами є відмінності: електричний заряд має лише деякі частинки, а гравітацією мають усі форми речовини та енергії; електричні сили бувають позитивними і негативними (причому частинки з різним зарядом притягуються, а з однаковим - відштовхуються), а об'єкти, що тяжіють, тільки притягуються; при малих масштабах (наприклад, в атомі) різко переважають електромагнітні сили, а при великих масштабах (наприклад, масштабах Землі) - гравітаційні. Д.К.Максвелл вивів систему рівнянь, що описують взаємозв'язок руху заряджених частинок та поведінку електромагнітних сил. Центральним поняттям теорії Максвелла було поняття поля, яке позбавило труднощів. пов'язаних з ньютонівською дією на відстані. У ХІХ ст. поле описувалося за аналогією з рідиною, що рухається, тому воно характеризувалося за допомогою таких термінів, як "магнітний потік", "силові лінії" і т.п. Опис поля як рідини передбачає середовище, що передає дію від одного заряду до іншого. Таку гіпотетичну рідину назвали ефіром. Вважали, що ефір заповнює весь порожній простір, залишаючись невидимим. Електромагнітні поля представлялися як натягу в ефірі. Заряджені частинки породжували в ефірі хвилі натягу. швидкість поширення яких, як показали розрахунки, виявилася близько 300000 км/с. Світло почало розглядатися у вигляді електромагнітних хвиль, що викликалися рухами заряджених частинок і які поширювалися у просторі як коливання ефіру. З відкриттям електромагнітних хвиль (радіохвилі, надвисокочастотні. теплові (інфрачервоні), ультрафіолетові, рентгенівські хвилі. гамма-випромінювання) з'явилася можливість перевірки ньютонівської теорії простору та часу.

Якщо Фарадей здійснив новий підхід до вивчення електричних та магнітних явищ, створивши концепцію поля. яке описувалося за допомогою силових ліній, то Максвелл. ввівши точне поняття електромагнітного поля. сформулював його закони.

З концепції Френеля про поперечних світлових хвиль неминуче випливали питання, у якому середовищі поширюються хвилі, чому немає поздовжніх світлових хвиль, як діє ефір на які у ньому тіла тощо. Було висловлено безліч найрізноманітніших гіпотез щодо поперечності світлових хвиль (наприклад, гіпотеза абсолютно стисливого ефіру, гіпотеза нерухомого ефіру, гіпотеза ефіру, що частково захоплюється за собою тілами, що рухаються в ньому і т.д.). Тобто. існування самого ефіру сумніву не піддавалося, бо поширення хвиль вимагало відповідного середовища.

Максвелл створює електромагнітну теорію світла, встановивши рівняння, що пояснювали всі відомі на той час факти з єдиної точки зору. У них встановлювався зв'язок між змінами магнітного поля та виникненням електрорушійної сили. Своє головне завдання Максвелл вбачав у тому, щоб привести електричні явища до динаміки. Він виходив із того, що електричний струм не можна розглядати інакше як дії не розташування. а поширення протікають у часі. Причина електричних струмів була названа електрорушійною силою.

Sidarписав(ла):

Питання, звичайно, цікаве (особливо, для студентів за результатами оцінки відповідей на іспитах та при комп'ютерному тестуванні)!?

==========================
КОРОТКА ПЕРЕДІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ

XVI – XVII Вік. Спостерігає факти намагнічування «заліза» (залізних предметів) та розмагнічування (або перемагнічування) магнітної стрілки компаса при ударах блискавки.

1751 В. Франклін. Досліди «намагнічення голок електрикою» або перемагнічування сталевих голок «електричною іскрою» від «первинного провідника», джерела статичної електрики (електростатичної машини, лейденської банки).
[Веніамін Франклін, Досліди та спостереження над електрикою. - М.: Вид-во АН СРСР, 1956]

1758 Джамбаттіста Беккаріа (G. Beccaria), професор Туринського університету. Повторення дослідів Франкліна 1751 р. з намагнічуванням і зміною полярності залізного дроту у вигляді електростатичного розряду і висування гіпотези – «… чи обумовлює електричний флюїд якимось універсальним невідчутним безперервним періодичним циркулюючим властивостей… у всіх випадках виникнення і підтримки.
.

1804 Б. Можон (Mojon), професор хімії в Генуї, і незалежно від нього К. Л. Мороццо (Morozzo) в Турині провели експерименти з намагнічування сталевої голки з використанням гальванічної батареї, аналогічно такому при розрядах від джерел статичної електрики.

21 липня 1820 р. Г. Х. Ерстед. Експериментальне відкриття безконтактної орієнтуючої «дії на магнітну стрілку» гальванічного струму.

Листопад 1820 р. Д. Ф. Араго. Експеримент з намагнічує дії провідника зі струмом (тяжіння залізної тирси) і намагнічування сталевого стрижня за допомогою спірального провідника з гальванічним струмом.

1862 р. Дж. К. Максвелл. Гіпотеза нового явища та запровадженняпоняття «електричного струму усунення» («зміна електричного поля викликає поле магнітне»).
.

1876 ​​р. Р. Роуланд. Перший експеримент (проведений у лабораторії та за пропозицією Г. Гельмгольця) з позитивним результатом щодо підтвердження магніїтної дії конвекційного струму.
.

1881 Дж. Дж. Томсон. Запропонував формулу для магнітного поля електричних зарядів, що поступово рухаються, будь-якого електричного струму: гальванічного, конвекційного або струму зміщення («формула Дж. Томсона»).
.

1885 – 1888 гг. Ст Р. Рентген. Підтвердження результатів досвіду Роуланда 1876 р. і виявлення магнітної дії поляризованого діелектрика, що рухається («струм Рентгена»).
.

1889 С. Ф. Томпсон. Якісним досвідом з індикації вихрового магнітного поля в магнетиці при зміні електричного поля в діелектриці.
.

1890 р. Генріх Герц. Узагальнення рівнянь Максвелла для середовищ, що рухаються (рівняння Максвелла-Герца).
.

1901 – 1903 рр. А. А. Ейхенвальд. Якісне та кількісне експериментальне підтвердження еквівалентності магнітної дії електричних струмів провідності, струмів конвекції та струмів зміщення.
[Ейхенвальд А. А. Про магнітну дію тіл, що рухаються в електростатичному полі (1904) - У кн.: А. А. Ейхенвальд, Ізбр. роботи. - М: ГТТІ, 1956, с. 7 - 109].

1912 – 1913 рр. Поль Ланжевен. – Спроба обґрунтування єдності явищ магнітної дії електричного струму провідності, конвекційного струму та струму зміщення у рамках «Закону струму зміщення Максвелла».
[П. Ланжевен, «Зерна електрики та електромагнітна динаміка» (Доповідь, представлена ​​Французькому фізичному суспільству в 1912 р.) та «Інерція енергії та її наслідки» (Доповідь, зроблена у Французькому фізичному товаристві 26 березня 1913 р.) – У кн.: П. Ланжевен, Ізбр. твори. - М.: ІЛ, 1949, с. 156 - 215, 216 - 254].

1980 А. М. Сидорович. Нова концепція явища електромагнітної індукції та формулювання «Закону електромагнітної індукції» та його наслідків.
[Сидорович А. М., До бінарно-інверсної інтерпретації рівнянь Максвелла та індукційних явищ // Весці АН БРСР. Сер. фiз.мат. наук, 1980 № 3, с. 126; Sidorovich AM, Electromagnetic Induction (New Conception). - Proc. Int. Symp. (ISEF'87), Pavia, Italy, September 1987, p. 25-27].

* * *
Насправді явище електромагнітної індукції означає, що магнітне полі та намагнічування (магнітна поляризація) виникають індукційно в якому-небудь замкнутому контурі з магнетика, коли потік електричної індукції через поверхню, обмежену цим магнетиком, змінюється. Це має місце у випадках, коли електричне поле змінюється за величиною або магнетик рухається через зовнішнє електричне поле, перетинаючи його.