Электромагнитная индукция майкл фарадей: КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А. Н. ТУПОЛЕВА

Электромагнитная индукция — урок. Физика, 9 класс.

Индукционный ток

Великому английскому физику Майклу Фарадею потребовалось почти \(10\) лет, чтобы ответить в \(1831\) году на вопрос: как превратить магнетизм в электричество?

Эксперименты привели исследователя к однозначному ответу на данный вопрос.

Электрический ток в замкнутом контуре, возникающий при изменении магнитного поля, называется индукционным.

Индукционный ток, так же как и ток от гальванического элемента или аккумулятора, представляет собой упорядоченное движение электронов. 

Причины электромагнитной индукции

Явление возникновения индукционного тока в контуре называют электромагнитной индукцией.

Многочисленные опыты М. Фарадея привели к выводу, что индукционный ток в контуре, замкнутом на гальванометр, возникает при изменении:

• магнитного поля;

Рис. \(1\). Возникновение индукционного тока при изменении магнитного поля

• площади контура;

Рис. \(2\). Возникновение индукционного тока при изменении площади контура

• ориентации контура в магнитном поле. 

Рис. \(3\). Возникновение индукционного тока при ориентации контура в магнитном поле

Во всех случаях изменяется число линий магнитной индукции, то есть меняется магнитный поток.

На рисунке \(4\) представлен пример отсутствия появления индукционного тока при вращении магнита вокруг вертикальной оси.

Рис. \(4\). Отсутствие появления индукционного тока при вращении магнита вокруг вертикальной оси

Развитие электротехники в России

В России электротехника развивалась интенсивно с поддержки Николая I. Развитие электротехники в Европе отозвалось открытиями и изобретениями в России.

В \(1833\) году русский учёный Эмилий Христианович Ленц доказал, что электрическая машина может работать как электродвигатель и как генератор электричества. Такое свойство назвали обратимостью электрических машин.

В \(1834\) году Борис Семёнович Якоби построил действующий «магнитный аппарат» вращательного движения — классический электродвигатель; послал описание в Парижскую академию наук.

В \(1888\) году Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрёл трёхфазный генератор переменного тока, в \(1889\) году — электродвигатель переменного тока, в \(1890\) году — трансформатор трёхфазного тока. На Всемирной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне (\(1891\)) представил изобретённую систему передачи трёхфазного тока на расстояние \(170\) км (рис. \(5\)).

Рис. \(5\). Система передачи трёхфазного тока на расстояние

Применение электромагнитной индукции

Принцип работы индукционной плиты основан на явлении электромагнитной индукции. Индукционные токи при изменении магнитного поля возникают не только в проволочных контурах, но и в массивных образцах металла. Эти токи называют вихревыми токами, или токами Фуко. В массивных проводниках вследствие малости электрического сопротивления токи могут быть очень большими и вызывать значительное нагревание. Принцип работы индукционной плиты показан на рисунке. Под стеклокерамической поверхностью плиты находится катушка индуктивности, по которой протекает переменный электрический ток, создающий переменное магнитное поле. Частота тока составляет \(20\)–\(60\) кГц. В дне посуды наводятся токи индукции, которые нагревают его, а заодно и помещённые в посуду продукты. Нет никакой теплопередачи снизу вверх, от конфорки через стекло к посуде, а значит, нет и тепловых потерь. С точки зрения эффективности использования потребляемой электроэнергии индукционная плита выгодно отличается от всех других типов кухонных плит.

Рис. \(6\). Индукционная плита

1 — посуда из ферромагнитного материала;

2 — стеклокерамическая поверхность;

3 — слой изоляции;

4 — катушка индуктивности.

Источники:

Рис. 1. Возникновение индукционного тока при изменении магнитного поля.

Рис. 2. Возникновение индукционного тока при изменении площади контура.

Рис. 3. Возникновение индукционного тока при ориентации контура в магнитном поле.

Рис. 4. Отсутствие появления индукционного тока при вращении магнита вокруг вертикальной оси.

Рис. 5. Система передачи трёхфазного тока на расстояние.

Рис. 6. Индукционная плита. https://www.shutterstock.com/ru/image-vector/induction-vector-illustration-labeled-household-cooking-1252362460. 2021-09-12.

Как фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция

После открытий Эрстеда и Ампера стало ясно, что электричество обладает магнитной силой. Теперь необходимо было подтвердить влияние магнитных явлений на электрические. Эту задачу блистательно решил Фарадей.

Майкл Фарадей (1791-1867) родился в Лондоне, в одной из беднейших его частей. Его отец был кузнецом, а мать — дочерью земледельца-арендатора. Когда Фарадей достиг школьного возраста, его отдали в начальную школу. Курс, пройденный Фарадеем здесь, был очень узок и ограничивался только обучением чтению, письму и началам счета.

В нескольких шагах от дома, в котором жила семья Фарадеев, находилась книжная лавка, бывшая вместе с тем и переплетным заведением. Сюда-то и попал Фарадей, закончив курс начальной школы, когда возник вопрос о выборе профессии для него. Майклу в это время минуло только 13 лет.

Уже в юношеском возрасте, когда Фарадей только что начинал свое самообразование, он стремился опираться исключительно только на факты и проверять сообщения других собственными опытами. Эти стремления доминировали в нем всю жизнь как основные черты его научной деятельности

Физические и химические опыты Фарадей стал проделывать еще мальчиком при первом же знакомстве с физикой и химией. Однажды Майкл посетил одну из лекций Гэмфри Дэви, великого английского физика. Фарадей сделал подробную запись лекции, переплел ее и отослал Дэви. Тот был настолько поражен, что предложил Фарадею работать с ним в качестве секретаря. Вскоре Дэви отправился в путешествие по Европе и взял с собой Фарадея. За два года они посетили крупнейшие европейские университеты.

Вернувшись в Лондон в 1815 году, Фарадей начал работать ассистентом в одной из лабораторий Королевского института в Лондоне. В то время это была одна из лучших физических лабораторий мира С 1816 по 1818 год Фарадей напечатал ряд мелких заметок и небольших мемуаров по химии. К 1818 году относится первая работа Фарадея по физике.

Опираясь на опыты своих предшественников и скомбинировав несколько собственных опытов, к сентябрю 1821 года Майкл напечатал «Историю успехов электромагнетизма». Уже в это время он составил вполне правильное понятие о сущности явления отклонения магнитной стрелки под действием тока. Добившись этого успеха, Фарадей на целых десять лет оставляет занятия в области электричества, посвятив себя исследованию целого ряда предметов иного рода.

В 1823 году Фарадеем было произведено одно из важнейших открытий в области физики — он впервые добился сжижения газа, и вместе с тем установил простой, но действительный метод обращения газов в жидкость.

В 1824 году Фарадей сделал несколько открытий в области физики. Среди прочего он установил тот факт, что свет влияет на цвет стекла, изменяя его.

В следующем году Фарадей снова обращается от физики к химии, и результатом его работ в этой области является открытие бензина и серно-нафталиновой кислоты.

В 1831 году Фарадей опубликовал трактат «Обособого рода оптическом обмане», послуживший основанием прекрасного и любопытного оптического снаряда, именуемого «хромотропом». В том же году вышел еще один трактат ученого «О вибрирующих пластинках».

Многие из этих работ могли сами- по себе обессмертить имя их автора. Но наиболее важными из научных работ Фарадея являются его исследования в области электромагнетизма и электрической индукции. Строго говоря, важный отдел физики, трактующий явления электромагнетизма и индукционного электричества, и имеющий в настоящее время такое громадное значение для техники, был создан Фарадеем из ничего

К тому времени, когда Фарадей окончательно посвятил себя исследованиям в области электричества, было установлено, что при обыкновенных условиях достаточно присутствия наэлектризованного тела, чтобы влияние его возбудило электричество во всяком другом теле.

Вместе с тем было известно, что проволока, по которой проходит ток и которая также представляет собою наэлектризованное тело, не оказывает никакого влияния на помещенные рядом другие проволоки. Отчего зависело это исключение? Вот вопрос, который заинтересовал Фарадея и решение которого привело его к важнейшим открытиям в области индукционного электричества.

По своему обыкновению Фарадей начал ряд опытов, долженствовавших выяснить суть дела. На одну и ту же деревянную скалку Фарадей намотал параллельно друг другу две изолированные проволоки. Концы одной проволоки он соединил с батареей из десяти элементов, а концы другой — с чувствительным гальванометром. Когда был пропущен ток через первую проволоку, Фарадей обратил все свое внимание на гальванометр, ожидая заметить по колебаниям его появление тока и во второй проволоке. Однако ничего подобного не было: гальванометр оставался спокойным. Фарадей решил увеличить силу тока и ввел в цепь 120 гальванических элементов. Результат получился тот же. Фарадей повторил этот опыт десятки раз и все с тем же успехом. Всякий другой на его месте оставил бы опыты, убежденный, что ток, проходящий через проволоку, не оказывает никакого действия на соседнюю проволоку. Но фарадей старался всегда извлечь из своих опытов и наблюдений все, что они могут дать, и потому, не получив прямого действия на проволоку, соединенную с гальванометром, стал искать побочные явления.

Сразу же он заметил, что гальванометр, оставаясь совершенно спокойным во все время прохождения тока, приходит в колебание при самом замыкании цепи и при размыкании ее. Оказалось, что в тот момент, когда в первую проволоку пропускается ток, а также когда это пропускание прекращается, во второй проволоке также возбуждается ток, имеющий в первом случае противоположное направление с первым током и одинаковое с ним во втором случае и продолжающийся всего одно мгновение Эти вторичные мгновенные токи, вызываемые влиянием первичных, названы были Фарадеем индуктивными, и это название сохранилось за ними доселе.

Будучи мгновенными, моментально исчезая вслед за своим появлением, индуктивные токи не имели бы никакого практического значения, если бы Фарадей не нашел способ при помощи остроумного приспособления (коммутатора) беспрестанно прерывать и снова проводить первичный ток, идущий от батареи по первой проволоке, благодаря чему во второй проволоке беспрерывно возбуждаются все новые и новые индуктивные токи, становящиеся, таким образом, постоянными. Так был найден новый источник электрической энергии, помимо ранее известных (трения и химических процессов), — индукция, и новый вид этой энергии — индукционное электричество.

Продолжая свои опыты, Фарадей открыл далее, что достаточно простого приближения проволоки, закрученной в замкнутую кривую, к другой, по которой идет гальванический ток, чтобы в нейтральной проволоке возбудить индуктивный ток направления, обратного гальваническому току, что удаление нейтральной проволоки снова возбуждает в ней индуктивный ток уже одинакового направления с гальваническим, идущим по неподвижной проволоке, и что, наконец, эти индуктивные токи возбуждаются только во время приближения и удаления проволоки к проводнику гальванического тока, а без этого движения токи не возбуждаются, как бы близко друг к другу проволоки ни находились. Таким образом, было открыто новое явление, аналогичное вышеописанному явлению индукции при замыкании и прекращении гальванического тока.

Эти открытия вызвали в свою очередь новые. Если можно вызвать индуктивный ток замыканием и прекращением гальванического тока, то не получится ли тот же результат от намагничивания и размагничивания железа? Работы Эрстеда и Ампера установили уже родство магнетизма и электричества. Было известно, что железо делается магнитом, когда вокруг него обмотана изолированная проволока и по последней проходит гальванический ток, и что магнитные свойства этого железа прекращаются, как только прекращается ток. Исходя из этого, Фарадей придумал такого рода опыт: вокруг железного кольца были обмотаны две изолированные проволоки; причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая — вокруг другой.

Через одну проволоку пропускался ток от гальванической батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. И вот, когда ток замыкался или прекращался и когда, следовательно, железное кольцо намагничивалось или размагничивалось, стрелка гальванометра быстро колебалась и затем быстро останавливалась, то есть в нейтральной проволоке возбуждались все те же мгновенные индуктивные токи — на этот раз: уже под влиянием магнетизма. Таким образом, здесь впервые магнетизм был превращен в электричество.

Получив эти результаты, Фарадей решил разнообразить свои опыты. Вместо железного кольца он стал употреблять железную полосу. Вместо возбуждения в железе магнетизма гальваническим током он намагничивал железо прикосновением его к постоянному стальному магниту. Результат получался тот же: в проволоке, обматывавшей железо, всегда! возбуждался ток в момент намагничивания и размагничивания железа. Затем Фарадей вносил в проволочную спираль стальной магнит — приближение и удаление последнего вызывало в проволоке индукционные токи. Словом, магнетизм, в смысле возбуждения индукционных, токов, действовал совершенно так же, как и гальванический ток.

В то время физиков усиленно занимало одно загадочное явление, открытое в 1824году Араго и не находившее объяснения, несмотря на; то, что этого объяснения усиленно искали такие выдающиеся ученые того времени, как сам Араго, Ампер, Пуассон, Бабэдж и Гершель. Дело I состояло в следующем. Магнитная стрелка, свободно висящая, быстро приходит в состояние покоя, если под нее подвести круг из немагнитного металла; если затем круг привести во вращательное движение, магнитная стрелка начинает двигаться за ним. В спокойном состоянии нельзя было открыть ни малейшего притяжения или отталкивания между 5 кругом и стрелкой, между тем как тот же круг, находившийся в движении, тянул за собою не только легкую стрелку, но и тяжелый магнит. Это поистине чудесное явление казалось ученым того времени таинственной загадкой, чем-то выходящим за пределы естественного. Фарадей, исходя из своих вышеизложенных данных, сделал предположение, что кружок немагнитного металла, под влиянием магнита, во время вращения обегается индуктивными токами, которые оказывают воздействие на магнитную стрелку и влекут ее за магнитом. И действительно, введя край кружка между полюсами большого подковообразного магнита и соединив проволокою центр и край кружка с гальванометром, Фарадей получил при вращении кружка постоянный электрический ток.

Вслед за тем Фарадей остановился на другом вызывавшем тогда общее любопытство явлении. Как известно, если посыпать на магнит железных опилок, они группируются по определенным линиям, называемым магнитными кривыми. Фарадей, обратив внимание на это явление, дал в 1831 году магнитным кривым название «линий магнитной силы», вошедшее затем во всеобщее употребление. Изучение этих «линий» привело Фарадея к новому открытию, оказалось, что для возбуждения индуктивных токов приближение и удаление источника от магнитного полюса необязательны. Для возбуждения токов достаточно пересечь известным образом линии магнитной силы.

Дальнейшие работы Фарадея в упомянутом направлении приобретали, с современной ему точки зрения, характер чего-то совершенно чудесного. В начале 1832 года он демонстрировал прибор, в котором возбуждались индуктивные токи без помощи магнита или гальванического тока.

Прибор состоял из железной полосы, помещенной в проволочной катушке.

Прибор этот при обыкновенных условиях не давал ни малейшего признака появления в нем токов; но лишь только ему давалось направление, соответствующее направлению магнитной стрелки, в проволоке возбуждался ток. Затем Фарадей давал положение магнитной стрелки одной катушке и потом вводил в нее железную полосу: ток снова возбуждался. Причиною, вызывавшею в этих случаях ток, был земной магнетизм, вызывавший индуктивные токи подобно обыкновенному магниту или гальваническому току. Чтобы нагляднее показать и доказать это, Фарадей предпринял еще один опыт, вполне подтвердивший его соображения. Он рассуждал, что если круг из немагнитного металла, например, из меди, вращаясь в положении, при котором он пересекает линии магнитной силы соседнего магнита, дает индуктивный ток, то тот же круг, вращаясь в отсутствие магнита, но в положении, при котором круг будет пересекать линии земного магнетизма, тоже должен дать индуктивный ток. И действительно, медный круг, вращаемый в горизонтальной плоскости, дал индуктивный ток, производивший заметное отклонение стрелки гальванометра.

Ряд исследований в области электрической индукции Фарадей закончил открытием, сделанным в 1835 году, «индуктирующего влияния тока на самого себя». Он выяснил, что при замыкании или размыкании гальванического тока в самой проволоке, служащей проводником для этого тока, возбуждаются моментальные индуктивные токи.

Русский физик Эмиль Христофорович Ленц (1804-1861) дал правило для определения направления индукционного тока.

«Индукционный ток всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле затрудняет или тормозит вызывающее индукцию движение, — отмечает А.А. Коробко-Стефанов в своей статье об электромагнитной индукции. — Например, при приближении катушки к магниту возникающий индукционный ток имеет такое направление, что созданное им магнитное поле будет противоположно магнитному полю магнита. В результате между катушкой и магнитом возникают силы отталкивания.

Правило Ленца вытекает из закона сохранения и превращения энергии. Если бы индукционные токи ускоряли вызывающее их движение, то создавалась бы работа из ничего. Катушка сама собой после небольшого толчка устремлялась бы навстречу магниту, и одновременно индукционный ток выделял бы в ней теплоту. В действительности же индукционный ток создается за счет работы по сближению магнита и катушки.

Почему возникает индукционный ток? Глубокое объяснение явления электромагнитной индукции дал английский физик Джемс Клерк Максвелл — творец законченной математической теории электромагнитного поля.

Чтобы лучше понять суть дела, рассмотрим очень простой опыт. Пусть катушка состоит из одного витка проволоки и пронизывается переменным магнитным полем, перпендикулярным к плоскости витка. В катушке, естественно, возникает индукционный ток. Исключительно смело и неожиданно истолковал этот эксперимент Максвелл. При изменении магнитного поля в пространстве, по мысли Максвелла, возникает процесс, для которого присутствие проволочного витка не имеет никакого значения. Главное здесь — возникновение замкнутых кольцевых линий электрического поля, охватывающих изменяющееся магнитное поле.

Под действием возникающего электрического поля приходят в движение электроны, и в витке возникает электрический ток. Виток — это просто прибор, позволяющий обнаружить электрическое поле. Сущность же явления электромагнитной индукции в том, что переменное магнитное поле всегда порождает в окружающем пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. Такое поле называется вихревым».

Изыскания в области индукции, производимой земным магнетизмом, дали Фарадею возможность высказать еще в 1832 году идею телеграфа, которая затем и легла в основу этого изобретения.

А вообще открытие электромагнитной индукции недаром относят к наиболее выдающимся открытиям XIX века — на этом явлении основана работа миллионов электродвигателей и генераторов электрического тока во всем мире…

После открытий Эрстеда и Ампера стало ясно, что электричество обладает магнитной силой. Теперь необходимо было подтвердить влияние магнитных явлений на электрические. Эту задачу блистательно решил Фарадей.

Майкл Фарадей (1791-1867) родился в Лондоне, в одной из беднейших его частей. Его отец был кузнецом, а мать — дочерью земледельца-арендатора. Когда Фарадей достиг школьного возраста, его отдали в начальную школу. Курс, пройденный Фарадеем здесь, был очень узок и ограничивался только обучением чтению, письму и началам счета.

В нескольких шагах от дома, в котором жила семья Фарадеев, находилась книжная лавка, бывшая вместе с тем и переплетным заведением. Сюда-то и попал Фарадей, закончив курс начальной школы, когда возник вопрос о выборе профессии для него. Майклу в это время минуло только 13 лет. Уже в юношеском возрасте, когда Фарадей только что начинал свое самообразование, он стремился опираться исключительно только на факты и проверять сообщения других собственными опытами.

Эти стремления доминировали в нем всю жизнь как основные черты его научной деятельности Физические и химические опыты Фарадей стал проделывать еще мальчиком при первом же знакомстве с физикой и химией. Однажды Майкл посетил одну из лекций Гэмфри Дэви, великого английского физика.

Фарадей сделал подробную запись лекции, переплел ее и отослал Дэви. Тот был настолько поражен, что предложил Фарадею работать с ним в качестве секретаря. Вскоре Дэви отправился в путешествие по Европе и взял с собой Фарадея. За два года они посетили крупнейшие европейские университеты.

Вернувшись в Лондон в 1815 году, Фарадей начал работать ассистентом в одной из лабораторий Королевского института в Лондоне. В то время это была одна из лучших физических лабораторий мира С 1816 по 1818 год Фарадей напечатал ряд мелких заметок и небольших мемуаров по химии. К 1818 году относится первая работа Фарадея по физике.

Опираясь на опыты своих предшественников и скомбинировав несколько собственных опытов, к сентябрю 1821 года Майкл напечатал «Историю успехов электромагнетизма». Уже в это время он составил вполне правильное понятие о сущности явления отклонения магнитной стрелки под действием тока.

Добившись этого успеха, Фарадей на целых десять лет оставляет занятия в области электричества, посвятив себя исследованию целого ряда предметов иного рода. В 1823 году Фарадеем было произведено одно из важнейших открытий в области физики — он впервые добился сжижения газа, и вместе с тем установил простой, но действительный метод обращения газов в жидкость. В 1824 году Фарадей сделал несколько открытий в области физики.

Среди прочего он установил тот факт, что свет влияет на цвет стекла, изменяя его. В следующем году Фарадей снова обращается от физики к химии, и результатом его работ в этой области является открытие бензина и серно-нафталиновой кислоты.

В 1831 году Фарадей опубликовал трактат «Об особого рода оптическом обмане», послуживший основанием прекрасного и любопытного оптического снаряда, именуемого «хромотропом». В том же году вышел еще один трактат ученого «О вибрирующих пластинках». Многие из этих работ могли сами- по себе обессмертить имя их автора. Но наиболее важными из научных работ Фарадея являются его исследования в области электромагнетизма и электрической индукции.

Строго говоря, важный отдел физики, трактующий явления электромагнетизма и индукционного электричества, и имеющий в настоящее время такое громадное значение для техники, был создан Фарадеем из ничего.

К тому времени, когда Фарадей окончательно посвятил себя исследованиям в области электричества, было установлено, что при обыкновенных условиях достаточно присутствия наэлектризованного тела, чтобы влияние его возбудило электричество во всяком другом теле. Вместе с тем было известно, что проволока, по которой проходит ток и которая также представляет собою наэлектризованное тело, не оказывает никакого влияния на помещенные рядом другие проволоки.

Отчего зависело это исключение? Вот вопрос, который заинтересовал Фарадея и решение которого привело его к важнейшим открытиям в области индукционного электричества. По своему обыкновению Фарадей начал ряд опытов, долженствовавших выяснить суть дела.

На одну и ту же деревянную скалку Фарадей намотал параллельно друг другу две изолированные проволоки. Концы одной проволоки он соединил с батареей из десяти элементов, а концы другой — с чувствительным гальванометром. Когда был пропущен ток через первую проволоку,

Фарадей обратил все свое внимание на гальванометр, ожидая заметить по колебаниям его появление тока и во второй проволоке. Однако ничего подобного не было: гальванометр оставался спокойным. Фарадей решил увеличить силу тока и ввел в цепь 120 гальванических элементов. Результат получился тот же. Фарадей повторил этот опыт десятки раз и все с тем же успехом.

Всякий другой на его месте оставил бы опыты, убежденный, что ток, проходящий через проволоку, не оказывает никакого действия на соседнюю проволоку. Но фарадей старался всегда извлечь из своих опытов и наблюдений все, что они могут дать, и потому, не получив прямого действия на проволоку, соединенную с гальванометром, стал искать побочные явления.

Сразу же он заметил, что гальванометр, оставаясь совершенно спокойным во все время прохождения тока, приходит в колебание при самом замыкании цепи и при размыкании ее Оказалось, что в тот момент, когда в первую проволоку пропускается ток, а также когда это пропускание прекращается, во второй проволоке также возбуждается ток, имеющий в первом случае противоположное направление с первым током и одинаковое с ним во втором случае и продолжающийся всего одно мгновение.

Эти вторичные мгновенные токи, вызываемые влиянием первичных, названы были Фарадеем индуктивными, и это название сохранилось за ними доселе. Будучи мгновенными, моментально исчезая вслед за своим появлением, индуктивные токи не имели бы никакого практического значения, если бы Фарадей не нашел способ при помощи остроумного приспособления (коммутатора) беспрестанно прерывать и снова проводить первичный ток, идущий от батареи по первой проволоке, благодаря чему во второй проволоке беспрерывно возбуждаются все новые и новые индуктивные токи, становящиеся, таким образом, постоянными. Так был найден новый источник электрической энергии, помимо ранее известных (трения и химических процессов), — индукция, и новый вид этой энергии — индукционное электричество.

Продолжая свои опыты, Фарадей открыл далее, что достаточно простого приближения проволоки, закрученной в замкнутую кривую, к другой, по которой идет гальванический ток, чтобы в нейтральной проволоке возбудить индуктивный ток направления, обратного гальваническому току, что удаление нейтральной проволоки снова возбуждает в ней индуктивный ток уже одинакового направления с гальваническим, идущим по неподвижной проволоке, и что, наконец, эти индуктивные токи возбуждаются только во время приближения и удаления проволоки к проводнику гальванического тока, а без этого движения токи не возбуждаются, как бы близко друг к другу проволоки ни находились.

Таким образом, было открыто новое явление, аналогичное вышеописанному явлению индукции при замыкании и прекращении гальванического тока. Эти открытия вызвали в свою очередь новые. Если можно вызвать индуктивный ток замыканием и прекращением гальванического тока, то не получится ли тот же результат от намагничивания и размагничивания железа?

Работы Эрстеда и Ампера установили уже родство магнетизма и электричества. Было известно, что железо делается магнитом, когда вокруг него обмотана изолированная проволока и по последней проходит гальванический ток, и что магнитные свойства этого железа прекращаются, как только прекращается ток.

Исходя из этого, Фарадей придумал такого рода опыт: вокруг железного кольца были обмотаны две изолированные проволоки; причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая — вокруг другой. Через одну проволоку пропускался ток от гальванической батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. И вот, когда ток замыкался или прекращался и когда, следовательно, железное кольцо намагничивалось или размагничивалось, стрелка гальванометра быстро колебалась и затем быстро останавливалась, то есть в нейтральной проволоке возбуждались все те же мгновенные индуктивные токи — на этот раз: уже под влиянием магнетизма.

Таким образом, здесь впервые магнетизмбыл превращен в электричество. Получив эти результаты, Фарадей решил разнообразить свои опыты. Вместо железного кольца он стал употреблять железную полосу. Вместо возбуждения в железе магнетизма гальваническим током он намагничивал железо прикосновением его к постоянному стальному магниту. Результат получался тот же: в проволоке, обматывавшей железо, всегда! возбуждался ток в момент намагничивания и размагничивания железа.

Затем Фарадей вносил в проволочную спираль стальной магнит — приближение и удаление последнего вызывало в проволоке индукционные токи. Словом, магнетизм, в смысле возбуждения индукционных, токов, действовал совершенно так же, как и гальванический ток.

В то время физиков усиленно занимало одно загадочное явление, открытое в 1824 году Араго и не находившее объяснения, несмотря на; то, что этого объяснения усиленно искали такие выдающиеся ученые того времени, как сам Араго, Ампер, Пуассон, Бабэдж и Гершель.

Дело состояло в следующем. Магнитная стрелка, свободно висящая, быстро приходит в состояние покоя, если под нее подвести круг из немагнитного металла; если затем круг привести во вращательное движение, магнитная стрелка начинает двигаться за ним.

В спокойном состоянии нельзя было открыть ни малейшего притяжения или отталкивания между кругом и стрелкой, между тем как тот же круг, находившийся в движении, тянул за собою не только легкую стрелку, но и тяжелый магнит. Это поистине чудесное явление казалось ученым того времени таинственной загадкой, чем-то выходящим за пределы естественного.

Фарадей, исходя из своих вышеизложенных данных, сделал предположение, что кружок немагнитного металла, под влиянием магнита, во время вращения обегается индуктивными токами, которые оказывают воздействие на магнитную стрелку и влекут ее за магнитом.

И действительно, введя край кружка между полюсами большого подковообразного магнита и соединив проволокою центр и край кружка с гальванометром, Фарадей получил при вращении кружка постоянный электрический ток.

Вслед за тем Фарадей остановился на другом вызывавшем тогда общее любопытство явлении. Как известно, если посыпать на магнит железных опилок, они группируются по определенным линиям, называемым магнитными кривыми. Фарадей, обратив внимание на это явление, дал основы в 1831 году магнитным кривым название «линий магнитной силы», вошедшее затем во всеобщее употребление.

Изучение этих «линий» привело Фарадея к новому открытию, оказалось, что для возбуждения индуктивных токов приближение и удаление источника от магнитного полюса необязательны. Для возбуждения токов достаточно пересечь известным образом линии магнитной силы.

Дальнейшие работы Фарадея в упомянутом направлении приобретали, с современной ему точки зрения, характер чего-то совершенно чудесного. В начале 1832 года он демонстрировал прибор, в котором возбуждались индуктивные токи без помощи магнита или гальванического тока.

Прибор состоял из железной полосы, помещенной в проволочной катушке. Прибор этот при обыкновенных условиях не давал ни малейшего признака появления в нем токов; но лишь только ему давалось направление, соответствующее направлению магнитной стрелки, в проволоке возбуждался ток.

Затем Фарадей давал положение магнитной стрелки одной катушке и потом вводил в нее железную полосу: ток снова возбуждался. Причиною, вызывавшею в этих случаях ток, был земной магнетизм, вызывавший индуктивные токи подобно обыкновенному магниту или гальваническому току. Чтобы нагляднее показать и доказать это, Фарадей предпринял еще один опыт, вполне подтвердивший его соображения.

Он рассуждал, что если круг из немагнитного металла, например, из меди, вращаясь в положении, при котором он пересекает линии магнитной силы соседнего магнита, дает индуктивный ток, то тот же круг, вращаясь в отсутствие магнита, но в положении, при котором круг будет пересекать линии земного магнетизма, тоже должен дать индуктивный ток.

И действительно, медный круг, вращаемый в горизонтальной плоскости, дал индуктивный ток, производивший заметное отклонение стрелки гальванометра. Ряд исследований в области электрической индукции Фарадей закончил открытием, сделанным в 1835 году, «индуктирующего влияния тока на самого себя».

Он выяснил, что при замыкании или размыкании гальванического тока в самой проволоке, служащей проводником для этого тока, возбуждаются моментальные индуктивные токи.

Русский физик Эмиль Христофорович Ленц (1804-1861) дал правило для определения направления индукционного тока. «Индукционный ток всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле затрудняет или тормозит вызывающее индукцию движение, — отмечает А.А. Коробко-Стефанов в своей статье об электромагнитной индукции. — Например, при приближении катушки к магниту возникающий индукционный ток имеет такое направление, что созданное им магнитное поле будет противоположно магнитному полю магнита. В результате между катушкой и магнитом возникают силы отталкивания.

Правило Ленца вытекает из закона сохранения и превращения энергии. Если бы индукционные токи ускоряли вызывающее их движение, то создавалась бы работа из ничего. Катушка сама собой после небольшого толчка устремлялась бы навстречу магниту, и одновременно индукционный ток выделял бы в ней теплоту. В действительности же индукционный ток создается за счет работы по сближению магнита и катушки.

Почему возникает индукционный ток? Глубокое объяснение явления электромагнитной индукции даланглийский физик Джемс Клерк Максвелл — творец законченной математической теории электромагнитного поля.

Чтобы лучше понять суть дела, рассмотрим очень простой опыт. Пусть катушка состоит из одного витка проволоки и пронизывается переменным магнитным полем, перпендикулярным к плоскости витка. В катушке, естественно, возникает индукционный ток. Исключительно смело и неожиданно истолковал этот эксперимент Максвелл.

При изменении магнитного поля в пространстве, по мысли Максвелла, возникает процесс, для которого присутствие проволочного витка не имеет никакого значения. Главное здесь — возникновение замкнутых кольцевых линий электрического поля, охватывающих изменяющееся магнитное поле. Под действием возникающего электрического поля приходят в движение электроны, и в витке возникает электрический ток. Виток — это просто прибор, позволяющий обнаружить электрическое поле.

Сущность же явления электромагнитной индукции в том, что переменное магнитное поле всегда порождает в окружающем пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. Такое поле называется вихревым».

Изыскания в области индукции, производимой земным магнетизмом, дали Фарадею возможность высказать еще в 1832 году идею телеграфа, которая затем и легла в основу этого изобретения. А вообще открытие электромагнитной индукции недаром относят к наиболее выдающимся открытиям XIX века — на этом явлении основана работа миллионов электродвигателей и генераторов электрического тока во всем мире…

Источник информации: Самин Д. К. «Сто великих научных открытий»., М.:«Вече», 2002 г.

Цель:
ознакомить учащихся с явлением электромагнитной индукции.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Актуализация знаний.

1. Фронтальный опрос.

• В чем заключается гипотеза Ампера?
• Что такое магнитная проницаемость?
• Какие вещества называют пара- и диамагнетиками?
• Что такое ферриты?
• Где применяются ферриты?
• Откуда известно, что вокруг Земли существует магнитное поле?
• Где находится Северный и Южный магнитные полюса Земли?
• Какие процессы происходят в магнитосфере Земли?
• Какова причина существования магнитного поля у Земли?

2. Анализ экспериментов.

Эксперимент 1

Магнитную стрелку на подставке поднесли к нижнему, а затем к верхнему концу штатива. Почему стрелка поворачивается к нижнему концу штатива с любой стороны южным полюсом, а к верхнему концу — северным концом?
(Все железные предметы находятся в магнитном поле Земли. Под действием этого поля они намагничиваются, причем нижняя часть предмета обнаруживает северный магнитный полюс, а верхняя — южный.)

Эксперимент 2

В большой корковой пробке сделайте небольшой желобок для куска проволоки. Пробку опустите в воду, а сверху положите проволоку, располагая ее по параллели. При этом проволока вместе с пробкой поворачивается и устанавливается по меридиану. Почему?
(Проволока была намагничена и устанавливается в поле Земли как магнитная стрелка.)

III. Изучение нового материала

Между движущимися электрическими зарядами действуют магнитные силы. Магнитные взаимодействия описываются на основе представления о магнитном поле, существующем вокруг движущихся электрических зарядов. Электрические и магнитные поля порождаются одними и теми же источниками — электрическими зарядами. Можно предположить, что между ними есть связь.

В 1831 г. М. Фарадей подтвердил этот экспериментально. Он открыл явление электромагнитной индукции (слайды 1,2) .

Эксперимент 1

Гальванометр подсоединяем к катушке, и будем выдвигать из нее постоянный магнит. Наблюдаем отклонение стрелки гальванометра, появился ток (индукционный) (слайд 3).

Ток в проводнике возникает, когда проводник оказывается в области действия переменного магнитного поля (слайд 4-7) .

Переменное магнитное поле Фарадей представлял как изменение числа силовых линий, пронизывающих поверхность, ограниченную данным контуром. Это число зависит от индукции
В
магнитного поля, от площади контура
S
и его ориентации в данном поле.

Ф=BS
cos
a —
магнитный поток.

Ф [Вб] Вебер (слайд 8)

Индукционный ток может иметь разные направления, которые зависят от того, убывает или возрастает магнитный поток, пронизывающий контур. Правило, позволяющее определить направление индукционного тока, было сформулировано в 1833,г. Э. X. Ленцем.

Эксперимент 2

В легкое алюминиевое кольцо вдвигаем постоянный магнит. Кольцо отталкивается от него, а при выдвигании притягивается к магниту.

Результат не зависит от полярности магнита. Отталкивание и притягивание объясняется возникновением в нем индукционного тока.

При вдвигании магнита магнитный поток через кольцо возрастает: отталкивание кольца при этом показывает, что индукционный ток в нем имеет такое направление, при котором вектор индукции его магнитного поля противоположен по направлению вектору индукции внешнего магнитного поля.

Правило Ленца:

Индукционный ток имеет всегда такое направление, что его магнитное поле препятствует любым изменениям магнитного потока, вызывающим появление индукционного тока
(слайд 9)
.

IV. Проведение лабораторной работы

Лабораторная работа по теме «Опытная проверка правила Ленца»

Приборы и материалы:
миллиамперметр, катушка-моток, магнит дугообразный.

Ход работы

1. Приготовьте таблицу.

Ответ:

Следующим важным шагом в развитии электродинамики после опытов Ампера было открытие явления электромагнитной индукции. Открыл явление электромагнитной индукции английский физик Майкл Фарадей (1791 — 1867).

Фарадей, будучи еще моло дым ученым, так же как и Эрстед, думал, что все силы природы связаны между собой и, более того, что они способны превращаться друг в друга. Интересно, что эту мысль Фарадей высказывал еще до установления закона сохранения и превращения энергии. Фарадей знал об открытии Ампера, о том, что он, говоря образным языком, превратил злектричество в магнетизм. Раздумывая над этим открытием, Фарадей пришел к мысли, что если “электричество создает магнетизм” , то и наоборот, “магнетизм должен создавать электричество”. И вот еще в 1823 г. он записал в своем дневнике: “Обратить магнетизм в электричество”. В течение восьми лет Фарадей работал над решением поставленной задачи. Долгое время его преследовали неудачи, и, наконец, в 1831 г. он решил ее — открыл явление электромагнитной индукции.

во-первых, Фарадей обнаружил явление электромагнитной индукции для случая, когда катушки намотаны на один и тот же барабан. Если в одной катушке возникает или пропадает электрический ток в результате подключения к ней или отключения от нее гальванической батареи, то в другой катушке в этот момент возникает кратковременный ток. Этот ток обнаруживается гальванометром, который присоединен ко второй катушке.

Затем Фарадей установил также наличие индукционного тока в катушке, когда к ней приближали или удаляли от нее катушку, в которой протекал электрический ток.

наконец, третий случай электромагнитной индукции, который обнаружил Фарадей, заключался в том, что в катушке появлялся ток, когда в нее вносили или же удаляли из нее магнит.

Открытие Фарадея привлекло внимание многих физиков, которые также стали изучать особенности явления электромагнитной индукции. На очереди стояла задача установить общий закон электромагнитной индукции. Нужно было выяснить, как и от чего зависит сила индукционного тока в проводнике или от чего зависит значение электродвижущей силы индукции в проводнике, в котором индуцируется электрический ток.

Эта задача оказалась трудной. Она была полностью решена Фарадеем и Максвеллом позже в рамках развитого ими учения об электромагнитном поле. Но ее пытались решить и физики, которые придерживались обычной для того времени теории дальнодействия в учении об электрических и магнитных явлениях.

Кое-что этим ученым удалось сделать. При этом им по могло открытое петербургским академиком Эмилием Христиановичем Ленцем (1804 — 1865) правило для нахождения направления индукционного тока в разных случаях электромагнитной индукции. Ленц сформулировал его так: “Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении”.

Это правило очень удобно для определения направления ицдукционного тока. Им мы пользуемся и сейчас, только оно сейчас формулируется несколько иначе, с упогребпением понятия электромагнитной индукции, которое Ленц не использовал.

Но исторически главное значение правила Ленца заключалось в том, что оно натолкнуло на мысль, каким путем подойти к нахождению закона электромагнитной индукции. Дело в том, что в атом правиле устанавливается связь между электромагнитной индукцией и явлением взаимодействии токов. Вопрос же о взаимодействии токов был уже решен Ампером. Поэтому установление этой связи на первых порах дало возможность определить выражение электродвижущей силы индукции в проводнике для ряда частных случаев.

В общем виде закон электромагнитной индукции, как мы об этом сказали, был установлен Фарадеем и Максвеллом.

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

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

Самоиндукция — возникновение ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре при изменении тока, протекающего по контуру.

При изменении тока в контуре пропорционально меняется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС.

Это явление и называется самоиндукцией. (Понятие родственно понятию взаимоиндукции, являясь как бы его частным случаем).

Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (направлена против тока), а при убывании тока — убыванию (сонаправлена с током). Этим свойством ЭДС самоиндукции сходна с силой инерции.

Созданию первого реле предшествовало изобретение в 1824 г. англичанином Стардженом электромагнита — устройства, преобразующего входной электрический ток проволочной катушки, намотанной на железный сердечник, в магнитное поле, образующееся внутри и вне этого сердечника. Магнитное поле фиксировалось (обнаруживалось) своим воздействием на ферромагнитный материал, расположенный вблизи сердечника. Этот материал притягивался к сердечнику электромагнита.

Впоследствии эффект преобразования энергии электрического тока в механическую энергию осмысленного перемещения внешнего ферромагнитного материала (якоря) лег в основу различных электромеханических устройств электросвязи (телеграфии и телефонии), электротехники, электроэнергетики. Одним из первых таких устройств было электромагнитное реле, изобретенное американцем Дж. Генри в 1831 г.

Сегодня мы расскажем о явлении электромагнитной индукции. Раскроем, почему этот феномен был открыт и какую пользу принес.

Шелк

Люди всегда стремились жить лучше. Кто-то может подумать, что это повод обвинить человечество в алчности. Но часто речь идет об обретении элементарного бытового удобства.

В средневековой Европе умели делать ткани шерстяные, хлопковые и льняные. А еще в то время люди страдали от избытка блох и вшей. При этом в китайской цивилизации уже научились виртуозно ткать шелк. Одежда из него не подпускала кровососов к коже человека. Лапки насекомых скользили по гладкой ткани, и вши сваливались. Поэтому европейцы захотели во что бы то ни стало одеваться в шелк. А торговцы подумали, что это еще одна возможность разбогатеть. Поэтому был проложен Великий шелковый путь.

Только так желанную ткань доставляли страждущей Европе. И настолько много людей вовлекались в процесс, что в результате возникали города, империи спорили за право взимать налоги, а некоторые отрезки пути до сих пор наиболее удобный способ добраться до нужного места.

Компас и звезда

На пути караванов с шелком вставали горы и пустыни. Бывало, что характер местности оставался прежним недели и месяцы. Степные дюны сменялись такими же холмами, один перевал следовал за другим. И людям надо было как-то ориентироваться, чтобы доставить свой ценный груз.

Первыми на выручку пришли звезды. Зная, какой сегодня день, и каких созвездий ожидать, опытный путешественник всегда мог определить, где юг, где восток, и куда идти. Но людей с достаточным объемом знаний всегда не хватало. Да и время точно отсчитывать тогда не умели. Закат солнца, восход — вот и все ориентиры. А снежная или песчаная буря, пасмурная погода исключали даже возможность видеть полярную звезду.

Потом люди (вероятно, древние китайцы, но ученые еще спорят на этот счет) поняли, что один минерал всегда определенным образом расположен по отношению к сторонам света. Это свойство использовалось, чтобы создать первый компас. До открытия явления электромагнитной индукции было далеко, но начало было положено.

От компаса к магниту

Само название «магнит» восходит к топониму. Вероятно, первые компасы делались из руды, добываемой в холмах Магнезии. Эта область располагается в Малой Азии. И выглядели магниты как черные камни.

Первые компасы были весьма примитивными. В чашу или другую емкость наливалась вода, сверху клался тонкий диск из плавучего материала. А в центр диска помещалась намагниченная стрелка. Один ее конец всегда указывал на север, другой — на юг.

Трудно даже представить себе, что караван сохранял воду для компаса, пока от жажды умирали люди. Но не потерять направление и позволить людям, животным и товару добраться до безопасного места было важнее нескольких отдельных жизней.

Компасы проделывали множество путешествий и встречались с различными феноменами природы. Неудивительно, что явление электромагнитной индукции было открыто в Европе, хотя магнитная руда первоначально добывалась в Азии. Вот таким замысловатым образом желание европейских жителей спать удобнее привело к важнейшему открытию физики.

Магнитное или электрическое?

В начале девятнадцатого века ученые поняли, как получать постоянный ток. Была создана первая примитивная батарейка. Ее хватало для того, чтобы пустить по металлическим проводникам поток электронов. Благодаря первому источнику электричества был совершен ряд открытий.

В 1820 году датский ученый Ханс Кристиан Эрстед выяснил: магнитная стрелка отклоняется рядом со включенным в сеть проводником. Положительный полюс компаса всегда расположен определенным образом по отношению к направлению тока. Ученый производил опыт во всех возможных геометриях: проводник был над или под стрелкой, они располагались параллельно или перпендикулярно. В результате всегда получалось одно и то же: включенный ток приводил в движение магнит. Так было предвосхищено открытие явления электромагнитной индукции.

Но мысль ученых должна подтверждаться экспериментом. Сразу после опыта Эрстеда английский физик Майкл Фарадей задался вопросом: «Магнитное и электрическое поле просто влияют друг на друга, или они связаны теснее?» Первым ученый проверил предположение, что если электрическое поле заставляет отклоняться намагниченный предмет, то магнит должен порождать ток.

Схема опыта проста. Сейчас ее может повторить любой школьник. Тонкая металлическая проволока была свернута в форме пружины. Ее концы подключались к прибору, регистрирующему ток. Когда рядом с катушкой двигался магнит — стрелка устройства показывала напряжение электрического поля. Таким образом был выведен закон электромагнитной индукции Фарадея.

Продолжение опытов

Но это еще не все, что сделал ученый. Раз магнитное и электрическое поле связаны тесно, требовалось выяснить, насколько.

Для этого Фарадей к одной обмотке подвел ток и вдвинул ее внутрь другой такой же обмотки радиусом больше первой. И снова было индуцировано электричество. Таким образом, ученый доказал: движущийся заряд порождает и электрическое, и магнитное поля одновременно.

Стоит подчеркнуть, что речь идет о движении магнита или магнитного поля внутри замкнутого контура пружины. То есть поток должен все время меняться. Если этого не происходит, ток не генерируется.

Формула

Закон Фарадея для электромагнитной индукции выражается формулой

Расшифруем символы.

ε обозначает ЭДС или электродвижущую силу. Эта величина скалярная (то есть не векторная), и она показывает работу, которую прикладывают некие силы или законы природы, чтобы создать ток. Надо отметить, что работу должны совершать непременно неэлектрические явления.

Φ — это магнитный поток сквозь замкнутый контур. Данная величина является произведением двух других: модуля вектора магнитной индукции В и площади замкнутого контура. Если магнитное поле действует на контур не строго перпендикулярно, то к произведению добавляется косинус угла между вектором В и нормалью к поверхности.

Последствия открытия

За этим законом последовали другие. Последующие ученые устанавливали зависимости напряженности электрического тока от мощности, сопротивления от материала проводника. Изучались новые свойства, создавались невероятные сплавы. Наконец, человечество расшифровало структуру атома, вникло в тайну рождения и смерти звезд, вскрыло геном живых существ.

И все эти свершения требовали огромного количества ресурсов, а, прежде всего, электричества. Любое производство или большое научное исследование проводились там, где были доступны три составляющие: квалифицированные кадры, непосредственно материал, с которым надо работать и дешевая электроэнергия.

А это было возможно там, где силы природы могли придавать большой момент вращения ротору: реки с большим перепадом высот, долины с сильными ветрами, разломы с избытком геомагнитной энергии.

Интересно, что современный способ получать электричество не отличается принципиально от опытов Фарадея. Магнитный ротор очень быстро вращается внутри большой катушки проволоки. Магнитное поле в обмотке все время меняется и генерируется электрический ток.

Конечно, подобраны и наилучший материал для магнита и проводников, и технология всего процесса совсем другая. Но суть в одном: используется принцип, открытый на простейшей системе.

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

Закон Фарадея для электромагнитной индукции и для электролиза

Для описания процессов в физике и химии есть целый ряд законов и соотношений, полученных экспериментальным и расчетным путем. Ни единого исследования нельзя провести без предварительной оценки процессов по теоретическим соотношениям. Законы Фарадея применяются и в физике, и в химии, а в этой статье мы постараемся кратко и понятно рассказать о всех знаменитых открытиях этого великого ученого.

История открытия

Закон Фарадея в электродинамике был открыт двумя ученными: Майклом Фарадеем и Джозефом Генри, но Фарадей опубликовал результаты своих работ раньше – в 1831 году.

В своих демонстрационных экспериментах в августе 1831 г. он использовал железный тор, на противоположные концы которого был намотан провод (по одному проводу на стороны). На концы одного первого провода он подал питание от гальванической батареи, а на выводы второго подключил гальванометр. Конструкция была похожа на современный трансформатор. Периодически включая и выключая напряжение на первом проводе, он наблюдал всплески на гальванометре.

Гальванометр — это высокочувствительный прибор для измерения силы токов малой величины.

Таким образом было изображено влияние магнитного поля, образовавшегося в результате протекания тока в первом проводе, на состояние второго проводника. Это воздействие передавалось от первого ко второму через сердечник – металлический тор. В результате исследований было обнаружено и влияние постоянного магнита, который двигается в катушке, на её обмотку.

Тогда Фарадей объяснял явление электромагнитной индукции с точки зрения силовых линий. Еще одной была установка для генерирования постоянного тока: медный диск вращался вблизи магнита, а скользящий по нему провод был токосъёмником. Это изобретение так и называется — диск Фарадея.

Ученные того периода не признали идеи Фарадея, но Максвелл взял исследования для основы своей магнитной теории. В 1836 г. Майкл Фарадей установил соотношения для электрохимических процессов, которые назвали Законами электролиза Фарадея. Первый описывает соотношения выделенной на электроде массы вещества и протекающего тока, а второй соотношения массы вещества в растворе и выделенного на электроде, для определенного количества электричества.

Электродинамика

Первые работы применяются в физике, конкретно в описании работы электрических машин и аппаратов (трансформаторов, двигателей и пр.). Закон Фарадея гласит:

Для контура индуцированная ЭДС прямо пропорциональна величине скорости магнитного потока, который перемещается через этот контур со знаком минус.

Это можно сказать простыми словами: чем быстрее магнитный поток движется через контур, тем больше на его выводах генерируется ЭДС.

Формула выглядит следующим образом:

Здесь dФ – магнитный поток, а dt – единица времени. Известно, что первая производная по времени – это скорость. Т.е скорость перемещения магнитного потока в данном конкретном случае. Кстати перемещаться может, как и источник магнитного поля (катушка с током – электромагнит, или постоянный магнит), так и контур.

Здесь же поток можно выразить по такой формуле:

B – магнитное поле, а dS – площадь поверхности.

Если рассматривать катушку с плотнонамотанными витками, при этом в количестве витков N, то закон Фарадея выглядит следующим образом:

Магнитный поток в формуле на один виток, измеряется в Веберах. Ток, протекающий в контуре, называется индукционным.

Электромагнитная индукция – явление протекания тока в замкнутом контуре под воздействием внешнего магнитного поля.

В формулах выше вы могли заметить знаки модуля, без них она имеет слегка иной вид, такой как было сказано в первой формулировке, со знаком минус.

Знак минус объясняет правило Ленца. Ток, возникающий в контуре, создает магнитное поле, оно направлено противоположно. Это является следствием закона сохранения энергии.

Направление индукционного тока можно определить по правилу правой руки или буравчика, мы его рассматривали на нашем сайте подробно.

Как уже было сказано, благодаря явлению электромагнитной индукции работают электрические машины трансформаторы, генераторы и двигатели. На иллюстрации показано протекание тока в обмотке якоря под воздействием магнитного поля статора. В случае с генератором, при вращении его ротора внешними силами в обмотках ротора возникает ЭДС, ток порождает магнитное поле направленное противоположно (тот самый знак минус в формуле). Чем больше ток, потребляемый нагрузкой генератора, тем больше это магнитное поле, и тем больше затрудняется его вращение.

И наоборот — при протекании тока в роторе возникает поле, которое взаимодействует с полем статора и ротор начинает вращаться. При нагрузке на вал ток в статоре и в роторе повышается, при этом нужно обеспечить переключение обмоток, но это уже другая тема, связанная с устройством электрических машин.

В основе работы трансформатора источником движущегося магнитного потока является переменное магнитное поле, возникающее в следствие протекания в первичной обмотке переменного тока.

Если вы желаете более подробно изучить вопрос, рекомендуем просмотреть видео, на котором легко и доступно рассказывается Закон Фарадея для электромагнитной индукции:

Электролиз

Кроме исследований ЭДС и электромагнитной индукции ученный сделал большие открытия и в других дисциплинах, в том числе химии.

При протекании тока через электролит ионы (положительные и отрицательные) начинают устремляться к электродам. Отрицательные движутся к аноду, положительные к катоду. При этом на одном из электродов выделяется определенная масса вещества, которое содержится в электролите.

Фарадей проводил эксперименты, пропуская разный ток через электролит и измеряя массу вещества отложившегося на электродах, вывел закономерности.

m=k*Q

m – масса вещества, q – заряд, а k – зависит от состава электролита.

А заряд можно выразить через ток за промежуток времени:

I=q/t, тогда q = i*t

Теперь можно определить массу вещества, которое выделится, зная ток и время, которое он протекал. Это называется Первый закон электролиза Фарадея.

Второй закон:

Масса химического элемента, который осядет на электроде, прямо пропорциональна эквивалентной массе элемента (молярной массе разделенной на число, которое зависит от химической реакции, в которой участвует вещество).

С учетом вышесказанного эти законы объединяются в формулу:

m – масса вещества, которое выделилось в граммах, n – количество переносимых электронов в электродном процессе, F=986485 Кл/моль – число Фарадея, t – время в секундах, M молярная масса вещества г/моль.

В реальности же из-за разных причин, масса выделяемого вещества меньше чем расчетная (при расчетах с учетом протекающего тока). Отношение теоретической и реальной масс называют выходом по току:

B_т = 100% * m_расч/m_теор

Ну и напоследок рекомендуем просмотреть подробное объяснение закона Фарадея для электролиза:

Законы Фарадея внесли существенный вклад в развитие современной науки, благодаря его работам мы имеем электродвигатели и генераторы электроэнергии (а также работам его последователей). Работа ЭДС и явления электромагнитной индукции подарили нам большую часть современного электрооборудования, в том числе и громкоговорители и микрофоны, без которых невозможно прослушивание записей и голосовая связь. Процессы электролиза применяются в гальваническом методе покрытия материалов, что несет как декоративную ценность, так и практическую.

Похожие материалы:

Открытый урок в 9-м классе &quot Явление электромагнитной индукции Опыты Фарадея&quot  

Закон электромагнитной индукции в понятном изложении | Инженерные знания

Прежде, чем разобраться с законом электромагнитной индукции или, как его ещё называют, законом Фарадея, давайте перечислим все основные понятия. Их обязательно нужно уяснить, прежде, чем сделать следующий шаг.

Майкл Фарадей

Майкл Фарадей

Начнем с того, что электромагнитной индукцией называется явление возникновения электродвижущей силы (читай для простоты понимания как электрического тока) в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через этот контур.

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция

Магнитным потоком для простоты можно назвать количество линий магнитной индукции (правильнее говорить векторов магнитной индукции) которые пронизывают этот контур. Изменением магнитного потока можно считать или изменение напряженности магнитного поля, или перемещение самого замкнутого контура в этом магнитном поле. Опять-таки, для простоты это можно назвать емкой, но размытой фразой «изменение магнитного поля».

Магнитный поток

Магнитный поток

Про электромагнитную индукцию мы уже подробно рассказали в этой статье и очень советуем её прочитать.

Самым простым примером проявления электромагнитной индукции в жизни является случай, когда вас бьет током от движущегося велосипеда под линией электропередач. В случае, если рама является замкнутой — это яркий пример электромагнитной индукции. Но бывает ведь ещё и сила Лоренца.

Описывая явление электромагнитной индукции, Фарадей обнаружил ряд закономерностей.

Первая из них заключалась в том, что при увеличении «мощности» магнитного поля (правильнее говорить количества линий магнитной индукции, пронизывающих замкнутый контур и соответственно — магнитного потока), индукционный ток в контуре увеличивался.

Следующая выявила влияние количества витков в контуре или катушке на величину индукционного тока. Чем больше было витков, тем больше было значение индукционного тока.

И наконец, чем быстрее перемещалось магнитное поле (опять помним, что правильно — магнитный поток) относительно контура (чем быстрее двигали магнит относительно катушки), тем быстрее нарастало значение индукционного тока.

Эти обстоятельства легли в основу закона, который в результате всех опытов сформулировал Фарадей. Он так и был назван — закон электромагнитной индукции или закон Фарадея.

В учебнике он формулируется так:

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Если вчитаться в формулировку закона, то вопросов уже и не останется, потому что все понятия разобраны ранее. Правильно будет сказать, что физический смысл скорости изменения магнитного потока через контур – это электродвижущая сила индукции.

Закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции

ЭДС индукции — это напряжение, существующее в цепи (такое приравнивание не совсем корректно и вот почему, но тем не менее допустимо). Скорость изменения потока мы уже обсудили.

Остаётся момент со знаком. Почему ЭДС индукции противоположна по знаку изменению магнитного поля?

Дело в том, что любая физическая система всегда старается вернуться к равновесию. Также и тут. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет такое направление, чтобы магнитный поток поля уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока. Прочитайте формулировку пару раз. Вчитайтесь в неё и поймете о чем речь. Скажем так, сама система пытается нивелировать или уменьшить наблюдаемый эффект. Тут уже логично было бы рассказать про правило Ленца, которое определяет этот знак.

Кстати, стоит отметить, что для нас интересно любое изменение магнитного поля. Фарадей, прежде, чем начать эксперименты с катушкой и постоянным магнитом, использовал для экспериментов две катушки с током, которые по правилу, установленному Эрстедом, генерируют магнитное поле вокруг себя. Если катушки перемещать друг относительно друга или менять характеристики тока в одной из них (скажем, подключать и отключать от цепи), то наблюдается эффект появления тока индукции в одной из катушек, которая подсоединена к Гальванометру.

Для катушки с N-витков

Для катушки с N-витков

Есть и ещё одно обстоятельство. Если в замкнутом контуре имеется некоторое количество витков N, то мы всю эту радость должны умножить на количество витков.

Вот, собственно, и всё.

План-конспект урока в 9 классе»Опыты Фарадея. Электромагнитная индукция»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Варламовская средняя школа»

17.02.2016

Учитель: Лепилкина Валентина Ивановна

Предмет: ФИЗИКА

Класс: 9

Тема «Опыты Фарадея. Электромагнитная индукция»

Тип: урок открытия нового знания

Основное содержание темы, термины и понятия:

Исследования М.Фарадея. Явление электромагнитной индукции. Индукционный ток.

Цели урока: сформировать понятия: электромагнитная индукция, индукционный ток.

Требования к уровню подготовки:

Знать: понятие «электромагнитная индукция», «индукционный ток», способы получения индукционного тока, технику безопасности при работе с электроприборами

Уметь: получать индукционный ток, объяснять получение индукционного тока разными способами

Вид контроля, измерители: самостоятельная работа, оформление работы и выводов, поэтапная оценка достижений, рефлексия.

Оборудование: компьютер, мультимедийная установка (доска, проектор), гальванометр, миллиамперметры, катушки, магниты,ключ,ИИП.

Характеристика основных видов деятельности (предметный результат): наблюдение и исследование электромагнитной индукции.

Универсальные учебные действия (УУД):

Познавательные. Уделять внимание практическому освоению обучающимися основ проектно-исследовательской деятельности, развитию стратегий смыслового чтения и работе с информацией, практическому освоению методов познания, соответствующего им инструментария и понятийного аппарата, регулярному обращению в учебном процессе к использованию общеучебных умений, знаково-символических средств, широкого спектра логических действий и операций.

Регулятивные: учиться ставить учебные цели и задачи, планировать их реализацию в ходе урока, осуществлять выбор эффективных путей и средств достижения целей, контролировать и оценивать свои действия как по результату, так и по способу действия, вносить соответствующие коррективы в их выполнение.

Коммуникативные: формирование действий по организации и планированию учебного сотрудничества с учителем и сверстниками, умений работать в паре и группе и приобретение опыта такой работы, практического освоения морально-этических и психологических принципов общения и сотрудничества. Развития речевой культуры в процессе общения и взаимодействия с партнерами по совместной деятельности или обмену информацией.

Структура урока открытия нового знания:

1. Этап мотивации (самоопределения) к учебной деятельности.
2. Этап актуализация и фиксирование индивидуального затруднения в

пробном действии.
3. Этап выявления места и причины затруднения.
4. Этап построения проекта выхода из затруднения.
5. Этап реализации построенного проекта.
6. Этап первичного закрепления с проговариванием во внешней речи.
7. Этап самостоятельной работы с самопроверкой по эталону.
8. Этап включения в систему знаний и повторения.
9. Этап рефлексии учебной деятельности на уроке.

Ход урока

Организационный момент (приветствие)

1. Этап мотивации (самоопределения) к учебной деятельности

Для начала я предлагаю вам разгадать ребус (4).

В данном ребусе зашифрована фраза «Превратить магнетизм в электричество», которую в 1822 году записал в своем дневнике Майкл Фарадей. Что привело его к этой фразе?

Давайте сначала немного обратимся к истории…

Начало XIX века… Около 1800 г. Вольта изобрел источник постоянного тока. В 1820 г. Эрстед открыл действие тока на магнитную стрелку. Некоторое время спустя Ампер установил, что два параллельных проводника, по которым идет ток в одном направлении, притягиваются друг к другу и отталкиваются, если токи имеют противоположные направления. Эта эпоха больших открытий и бурного прогресса в промышленности. Резко увеличилась потребность в более совершенной технике производства, транспорта, связи. Ученые лучших университетов Европы занимаются исследованием и решением совершенно новых проблем и шаг за шагом все глубже проникают в неведомый мир электрических явлений и законов строения материи. Среди этих блестящих ученых выделяется английский физик и химик — Майкл Фарадей, ученый самоучка, получивший в школе только начальное образование.

Краткая биография ученого (знакомит БЕЛОВА К. ).

Как вы думаете, чем мы будем заниматься сегодня на уроке?

Для чего нам это нужно?

Фронтальная беседа с учащимися.

2. Этап актуализация и фиксирование индивидуального затруднения в

пробном действии (параллельно в процессе повторения знаний)

Сегодня на уроке мы продолжим изучать магнитные явления. Нам предстоит заглянуть в XIX век и увидеть первые шаги в науке, которые привели к созданию многих технических устройств. Но вначале нам необходимо вспомнить основные понятия, которые будут нам необходимы.

(по каждому вопросу фиксируйте у себя в тетради: знаю +, не знаю -)

1. Назовите источники магнитного поля.

2. Что является основной характеристикой магнитного поля?

3. Покажите с помощью рисунка линии индукции прямого тока?

4. Покажите с помощью рисунка линии индукции соленоида?

5. Как можно определить направление линий магнитной индукции?

6. По какому правилу можно определить направление силы, действующей на проводник с током?

7. Как можно изменить магнитные полюса катушки с током?

8. Что называется магнитным потоком?

9. Как можно изменить магнитный поток?

10. Кто и когда обнаружил появление магнитного поля, созданного электрическим током?

11. Какая связь существует между электрическим током и магнитным полем?

3. Этап выявления места и причины затруднения

Оцените себя на этапе I.

А. На данном этапе мне всё понятно и я готов к восприятию нового материала

Б. На данном этапе мне не всё понятно, но я готов воспринимать новый материал

В. На данном этапе мне ничего не понятно, и я не готов воспринимать новый материал

4. Этап построения проекта выхода из затруднения.

Вернемся к фразе, записанной в дневнике ученым и подумаем, что привело ученого к таким выводам? Вспомним открытие Эрстеда.

“Превратить магнетизм в электричество”- записал Фарадей в своем дневнике. 1822 г. И только практически через10 лет, в 1831 году, он смог решить эту задачу.

В первой четверти 19 в этой проблемой занимались многие ученые-физики. А вот разрешить ее удалось 29 августа 1931г английскому ученому Майклу Фарадею. Решением той же проблемы занимался одновременно с Фарадеем швейцарский физик Колладон, и только случайность не позволила сделать ему открытие.

Мы с вами откроем то, что Фарадей не мог открыть 10 лет, за несколько минут. Какие же опыты проводил Фарадей? Давайте повторим эти опыты, с помощью которых он открыл явление ЭМИ.

5. Этап реализации построенного проекта

Учащимся предлагается провести лабораторную работу «Наблюдение явления электромагнитной индукции».

1. Повторим опыты, которые были проделаны и Колладоном и Фарадеем.

Для чистоты эксперимента, чтобы ничто постороннее не повлияло на стрелку гальванометра, провода были длинные: гальванометр в одной комнате, а катушка и магнит в другой. Колладон проводил опыты один, а у Фарадея был помощник. Результат?

— Когда же отклонялась стрелка гальванометра?

— При вдвигании или выдвигании магнита относительно катушки.

— А что при этом происходит с характеристиками магнитного поля?

1) — увеличиваются. 2) – уменьшаются.

При изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих контур, или при изменении магнитного потока, пронизывающего катушку, возникает ток, регистрируемый гальванометром. Этот ток называется индуцированным (наведенный).

— Что произойдет, если катушку двигать относительно магнита?

Ничего не изменится по сравнению с 1 и 2 случаями, т.к. изменится магнитное поле, т.е. и возникнет индуцированный ток.

2. Повторить опыт.

1) — увеличиваются. 2) – уменьшаются.

Рассмотрим различные случаи:

3. Замыкание и размыкание цепи.

При замыкании цепи ток увеличивается. Следовательно, усиливается магнитное поле вокруг 1-ой катушки. Следовательно, увеличиваются, пронизывающие 2-ю катушку.

4. При увеличении и уменьшении силы тока реостатом.

5. При движении одной катушки относительно другой.

Итак, во всех случаях индукционный ток возникал при изменении магнитного потока, пронизывающего, охваченную проводником площадь.

Вывод: При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает электрический (индукционный) ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока. Это и есть явление электромагнитной индукции.

6. Этап первичного закрепления с проговариванием во внешней речи.

Делаем выводы: (беседа с учащимися о проведенной работе)

1. При каком условии возникал индукционный ток в катушке?

Вывод 1. Для возникновения индукционного тока необходимо действие переменного магнитного поля (изменение магнитного потока).

2. От чего зависит сила и направление индукционного тока?

Вывод 2. сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Направление – от полюсов магнитного поля.

Как вы думаете, почему для открытия, которое вы сделали за несколько минут, ученому потребовалось почти 10 лет?

Фарадей не мог понять одного: что только движущийся магнит вызывает ток. Покоящийся магнит не вызывает в ней тока.

Оцените себя этапе II.

А. На данном этапе мне всё понятно

Б. На данном этапе мне не всё понятно

В. На данном этапе мне ничего не понятно

7. Этап самостоятельной работы с самопроверкой по эталону

Обратимся к рисунку (презентация)

I уровень:

1. Назвать все элементы электрической цепи

Обратить внимание, что катушка 1 соединена с гальванометром, а катушка 2 — с источником тока. При замыкании ключа в цепи катушки 2, в катушке 1 фиксируется ток, о чем можно судить по показаниям прибора (гальванометра).

II уровень:

2. Подумайте и назовите все способы получения индукционного тока в катушке 1.

III уровень

3. Какие изменения можно внести в проведение данного опыта, чтобы в катушке 1 был зафиксирован индукционный ток обратного направления?

4. Начертите схему данной цепи в тетради

Проверьте себя по готовым ответам:

1. Источник тока, ключ, реостат, катушка 1, катушка 2, гальванометр.

2. а) при замыкании и размыкании ключа; б) при движении катушки 1 относительно катушки 2 при замкнутой цепи, в) при движении катушки 2 относительно катушки 1 при включенном ключе; г) при перемещении ползунка реостата; д) при вращении катушки 1 в поле катушки 2.

3. переключить полюсы у источника тока или перевернуть катушку 1 или 2.

Оцените себя на этапе III.

А. Я все выполнил верно

Б. Я, в основном, выполнил все верно, допустив несколько ошибок, которые я понял и учту в дальнейшем

В. Я допустил много ошибок, мне нужно поработать с этим материалом

8. Этап включения в систему знаний и повторения

Использовать видеоролик «Явление электромагнитной индукции». Объяснить наблюдаемое явление.

Открытие электромагнитной индукции имело очень большое значение для развития электро- и радиотехники.

Видеоролик «Принцип действия генератора переменного тока»

Домашнее задание: § 48, упр. 39 №1, 2.

Дополнительно, по желанию (из занимательной физики).

9. Этап рефлексии учебной деятельности на уроке.

«Для меня сегодняшний урок…»

Учащимся дается индивидуальная карточка, в которой нужно подчеркнуть фразы, характеризующие работу ученика на уроке по трем направлениям.

 1. Выпишете буквы ваших ответов с предыдущих этапов урока.

1. __________ 2. _____________ 3. ___________

2. Подчеркните фразы, характеризующие вашу работу на уроке

Урок прошел

Я на уроке

Итог

интересно

работал

Я понял материал

скучно

отдыхал

Я узнал больше, чем знал

безразлично

помогал другим

Я ничего не понял

3. Меня удивило ___________________________________________________

4. Оценка за урок: мне ______, классу ________, учителю _________

«Для меня сегодняшний урок…»

 1. Выпишете буквы ваших ответов с предыдущих этапов урока.

1. __________ 2. _____________ 3. ___________

2. Подчеркните фразы, характеризующие вашу работу на уроке

Урок прошел

Я на уроке

Итог

интересно

работал

Я понял материал

скучно

отдыхал

Я узнал больше, чем знал

безразлично

помогал другим

Я ничего не понял

3. Меня удивило ___________________________________________________

_________________________________________________________________

4. Оценка за урок: мне ______, классу ________, учителю _________

_____________________________________________________________________________

«Для меня сегодняшний урок…»

 1. Выпишете буквы ваших ответов с предыдущих этапов урока.

1. __________ 2. _____________ 3. ___________

2. Подчеркните фразы, характеризующие вашу работу на уроке

Урок прошел

Я на уроке

Итог

интересно

работал

Я понял материал

скучно

отдыхал

Я узнал больше, чем знал

безразлично

помогал другим

Я ничего не понял

3. Меня удивило ___________________________________________________

_________________________________________________________________

4. Оценка за урок: мне ______, классу ________, учителю _________

I уровень:

1. Назвать все элементы электрической цепи

Обратить внимание, что катушка 1 соединена с гальванометром, а катушка 2 — с источником тока. При замыкании ключа в цепи катушки 2, в катушке 1 фиксируется ток, о чем можно судить по показаниям прибора (гальванометра).

II уровень:

2. Подумайте и назовите все способы получения индукционного тока в катушке 1.

III уровень

3. Какие изменения можно внести в проведение данного опыта, чтобы в катушке 1 был зафиксирован индукционный ток обратного направления?

4. Начертите схему данной цепи в тетради

—————————————————————————-

I уровень:

1. Назвать все элементы электрической цепи

Обратить внимание, что катушка 1 соединена с гальванометром, а катушка 2 — с источником тока. При замыкании ключа в цепи катушки 2, в катушке 1 фиксируется ток, о чем можно судить по показаниям прибора (гальванометра).

II уровень:

2. Подумайте и назовите все способы получения индукционного тока в катушке 1.

III уровень

3. Какие изменения можно внести в проведение данного опыта, чтобы в катушке 1 был зафиксирован индукционный ток обратного направления?

4. Начертите схему данной цепи в тетради

Проверьте себя по готовым ответам:

1. Источник тока, ключ, реостат, катушка 1, катушка 2, гальванометр.

2. а) при замыкании и размыкании ключа; б) при движении катушки 1 относительно катушки 2 при замкнутой цепи, в) при движении катушки 2 относительно катушки 1 при включенном ключе; г) при перемещении ползунка реостата; д) при вращении катушки 1 в поле катушки 2.

3. переключить полюсы у источника тока или перевернуть катушку 1 или 2.

_____________________________________________________

Проверьте себя по готовым ответам:

1. Источник тока, ключ, реостат, катушка 1, катушка 2, гальванометр.

2. а) при замыкании и размыкании ключа; б) при движении катушки 1 относительно катушки 2 при замкнутой цепи, в) при движении катушки 2 относительно катушки 1 при включенном ключе; г) при перемещении ползунка реостата; д) при вращении катушки 1 в поле катушки 2.

3. переключить полюсы у источника тока или перевернуть катушку 1 или 2.

Объяснение: Майкл Фарадей и электромагнитная индукция. трансформаторы, катушки индуктивности и генераторы.

Кем был Майкл Фарадей и как он открыл электромагнитную индукцию?

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

Родившийся в 1791 году в значительной бедности, Фарадей не получил формального образования. Он научился читать и писать в воскресной церкви. Фарадей начал работать в возрасте 14 лет у книготорговца в Лондоне и обнаружил свою склонность к науке, читая книги, которые его работодатель переплетал.

В 1812 году Фарадей поступил в ученики к легендарному химику сэру Хамфри Дэви, изобретателю лампы Дэви. В конце этой ассоциации Фарадей начал свою блестящую карьеру ученого.Первые годы были обеспечены успехами в химии; в 1825 году Фарадей открыл бензол.

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

Эксперимент с железным кольцом Фарадея

Фарадей обернул толстое железное кольцо двумя витками изолированного провода, по одному с каждой стороны кольца. Одна катушка была подключена к батарее, а другая к гальванометру.Когда цепь батареи была замкнута, Фарадей увидел на гальванометре мгновенное отклонение. Аналогичное мгновенное отклонение, но в противоположном направлении, наблюдалось при размыкании цепи батареи.

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

Основа, заложенная Фарадеем, помогла Максвеллу в дальнейшем исследовать теорию электромагнитного поля, и вклад последнего значительно повлиял на физику 20-го века.

Электромагнитная индукция — MagLab

В 1831 году Майкл Фарадей провел многочисленные эксперименты, чтобы доказать, что электричество может быть получено из магнетизма. Он не только продемонстрировал электромагнитную индукцию, но и разработал хорошее представление о вовлеченных процессах.

В 1831 году Майкл Фарадей провел многочисленные эксперименты, пытаясь доказать, что электричество может быть получено из магнетизма. В течение нескольких недель великий экспериментатор не только ясно продемонстрировал это явление, известное ныне как электромагнитная индукция , но и разработал хорошее представление о связанных с ним процессах. В одном из экспериментов, проведенных Фарадеем в тот важный год, использовались постоянный магнит и гальванометр, соединенные с катушкой проволоки, намотанной на бумажный цилиндр, подобно тем, что показаны в этом руководстве.

Чтобы имитировать эксперимент Фарадея, щелкните и перетащите -стержневой магнит вперед и назад внутри катушки. Обратите внимание, что вольтметр , соединенный с катушкой, показывает наличие тока только тогда, когда магнит действительно находится в движении, и что его стрелка отклоняется в одном направлении, когда магнит перемещается в катушку, и в противоположном направлении, когда его перетаскивают. из катушки.Также обратите внимание на линий магнитного поля , изображенных синим цветом, исходящих от магнита, и на то, как направление тока (указано черными стрелками) меняется в зависимости от того, в какую сторону движется магнит. Как вы можете заметить, когда северный конец магнита входит в катушку, индуцируется ток, который проходит вокруг катушки в направлении против часовой стрелки; когда магнит затем вытягивается из катушки, направление меняется на по часовой стрелке.

Также обратите внимание, что создаваемый ток сильнее, когда магнит перемещается быстро, а не постепенно.Отрегулируйте ползунок число витков и снова перемещайте магнит внутрь и наружу катушки, чтобы определить взаимосвязь между витками провода в катушке и током, наведенным в этой катушке. Как показывает вольтметр, большее напряжение может индуцироваться в катушках, состоящих из большего числа витков провода.

Используйте синюю кнопку флип-магнита , чтобы увидеть, как все меняется, когда южный конец магнита, демонстрирующий разные силовые линии, взаимодействует с витками проволоки.

В этой демонстрации электромагнитной индукции механическая энергия движущегося магнита преобразуется в электричество, потому что движущееся магнитное поле, входя в проводник, индуцирует ток в проводнике. Что также происходит (хотя это и не показано в этом уроке), так это то, что ток, который был наведен в проводе, в свою очередь, создает другое магнитное поле вокруг провода. Это поле противодействует полю движущегося магнита, что объясняется законом Ленца .

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

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

Факультет физики, Университет Суррея, Гилфорд, Суррей, Великобритания

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

Abstract

История науки полна примеров ключевых открытий и прорывов, которые были опубликованы в виде важных текстов или журнальных статей и по которым можно проследить происхождение целых дисциплин.К таким публикациям, меняющим парадигму, относятся «De Revolutionibus orbium coelestium» Коперника (1543 г.), «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» Исаака Ньютона (1687 г. ) и статьи Альберта Эйнштейна по теории относительности (1905 и 1915 гг.). Статья Майкла Фарадея 1832 года об электромагнитной индукции гордо занимает место среди этих работ и в некотором смысле может рассматриваться как имеющая почти немедленный эффект в преобразовании нашего мира в самом реальном смысле больше, чем любая из перечисленных выше. Здесь мы рассмотрим статус предмета — взаимосвязь между магнетизмом и электричеством как до, так и после работы Фарадея, и углубимся в детали ключевых экспериментов, которые он провел в Королевском институте, четко описав, как он открыл процесс электромагнитной индукции, посредством которого электрический ток можно заставить течь по проводнику, находящемуся в изменяющемся магнитном поле.Его идеи не только позволили Максвеллу позднее развить его теорию классического электромагнетизма, но и непосредственно привели к разработке электрического динамо-машины 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 путаницы в отношении природы электричества. Работа двух итальянцев, Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта, посвященная характеристикам биоэлектричества, привела Вольта к изобретению батареи в 1799 году. Его «гальваническая батарея» внезапно дала натурфилософам (термин «ученые» не был придуман до 1834 года). ) надежный и гораздо более полезный источник электричества, чем лейденские банки или все более сложные электростатические машины, и превратил предмет из интеллектуального любопытства в настоящую науку.В самом прямом смысле оно гальванизировало науку, которая, конечно же, является источником этого повседневного слова.

В частности, именно запутанная связь между электричеством и магнетизмом так очаровала многих ученых. Действительно, некоторые утверждали, что между этими двумя явлениями вообще 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, благодаря которому ему приписывают открытие электромагнетизма.21 апреля 1820 года он заметил, готовясь к лекции, что, когда он пропускал электрический ток по проводу, ближайшая стрелка компаса временно отклонялась от своего устойчивого положения, указывающего на магнитный север. Это происходило в момент включения тока от батареи, а затем снова при ее выключении, подтверждая тем самым прямую связь между электричеством и магнетизмом, а именно то, что изменение электрического тока (от отсутствия до протекания и наоборот ) производил временный магнитный эффект поблизости.

Отчет об открытии Эрстеда содержится в письме, которое его коллега Кристофер Ханстин написал Майклу Фарадею много лет спустя:

Эрстед попытался поместить провод своей гальванической батареи перпендикулярно (под прямым углом) к магнитной стрелке, но не заметил заметного движения. Однажды, после окончания своей лекции, так как он использовал сильную гальваническую батарею для других опытов, он сказал: «Давайте теперь один раз, пока батарея находится в действии, попробуем расположить проволоку параллельно игле».Когда это было сделано, он был весьма озадачен, увидев, что стрелка совершает сильное колебание (почти под прямым углом к ​​магнитному меридиану). Тогда он сказал: «А теперь обратим направление тока», и стрелка отклонилась в противоположную сторону. ²

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

Через несколько месяцев после открытия Эрстеда французский физик и математик Андре-Мари Ампер показал, что два провода с током, расположенные параллельно близко друг к другу, генерируют магнитные силовые линии, заставляющие провода притягиваться или отталкиваться друг от друга в зависимости от того, текут ли токи в одном и том же или в противоположных направлениях. Ампер впоследствии помог основать область классического электромагнетизма, и в его честь была названа единица измерения электрического тока в системе СИ.

Ампер и Эрстед показали, что каким-то образом электричество можно превратить 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 одним из главных мотивов великой работы Фарадея. В 1824 году Араго продемонстрировал, что вращающийся медный диск заставляет вращаться магнитную стрелку, подвешенную над ним.Этот результат был замечательным по двум причинам. Во-первых, к медному диску не подавался внешний электрический ток, а во-вторых, хотя медь и является проводником, она не магнитится. И все же здесь было магнитное поле, которое, по-видимому, создавалось только вращением этого диска, влияющего на стрелку компаса. Потребовались бы гениальность и изобретательность Майкла Фарадея, чтобы описать происходящее, и в серии тщательно и четко описанных экспериментов в период с августа по ноябрь 1831 года он изменил бы лицо науки так, что это повлияло бы на всю нашу жизнь. и по сей день.

2. Ранние годы

Майкл Фарадей родился в 1791 году в Ньюингтон Баттс, теперь на юге Лондона, но тогда не более чем в деревне в сельской местности графства Суррей. Он был сыном кузнеца, который переехал из Камбрии на северо-западе Англии незадолго до рождения Майкла. Его семья была небогатой, и Фарадей получил типичное образование рабочего класса, которое он компенсировал тем, что читал все книги, до которых мог дотянуться, страсть, которую он питал, 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 покупатель книжного магазина предложил юному Фарадею билеты на серию лекций, прочитанных великим Гемфри Дэви в Королевский институт, основанный несколькими годами ранее. Когда он представил Дэви многочисленные записи, которые он делал во время лекций, великий человек был настолько 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 того времени [4].Когда в 1820 году он услышал об эксперименте Эрстеда, он решил провести собственные исследования природы электромагнетизма.

То, чего Фарадею не хватало в формальной научной подготовке, особенно в области математики, он компенсировал своим исключительным талантом экспериментатора. И хотя изначально он с недоверием относился к математике, считая ее препятствием, а не помощью нашему пониманию работы Природы, в более позднем возрасте он изменит свою точку зрения в свете работы Джеймса Клерка Максвелла.На самом деле, сам Максвелл считал Фарадея превосходным теоретиком и утверждал, что именно поэтому ему удалось изложить теории Фарадея на языке аналитической математики. Важно отметить, что на самом деле в исследованиях Фарадея есть три понятия, которые неразрывно связаны между собой: электрический ток, магнитное поле и механическое движение, и взаимодействие между этими тремя понятиями является постоянной темой всей его работы. В сентябре 1821 года он построил устройство, которое можно считать самым первым электродвигателем.Он показал, что подвешенная проволока, свободно висящая в сосуде с ртутью с постоянным магнитом в центре, будет вращаться вокруг магнита, как только через нее пройдет электрический ток (с проводящей ртутью, замыкающей цепь).

С помощью этой прекрасно простой установки Фарадей продемонстрировал то, что он назвал «электромагнитными вращениями» — он использовал как электричество, так и магнетизм для создания движения, обобщение принципа Эрстеда — и открыл принцип работы электродвигателя [5].Идея заключалась в том, что ток, протекающий по проводу, создавал вокруг него магнитное поле, которое взаимодействовало с полем магнита, толкая провод круговым движением все время, пока протекал ток.

Это раннее открытие так взволновало Фарадея, что он провел следующее десятилетие, время от времени пытаясь понять физику 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, кульминацией которого стала статья, которую мы можем теперь описать. Создав непрерывное механическое движение из магнетизма и электричества (электродвигатель), сцена была настроена на генерирование электричества из механического движения и магнетизма (электрическая динамо-машина или генератор) — открытие, которое изменило наш мир.

Вспомните, что основной мотивацией Фарадея было «преобразование магнетизма 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 станет директором Исследовательской лаборатории Дэви-Фарадея в Королевском институте в 1923 году, написал в предисловии к книге о Фарадее, посвященной столетию его открытия:

Фарадей имел обыкновение подробно и подробно описывать каждый эксперимент в тот день, когда он был проведен.Во многих записях обсуждаются последствия, которые он мог бы извлечь из того, что он наблюдал. В других случаях они описывают предполагаемый ход исследования, которое должно быть предпринято. Таким образом, Дневник — это гораздо больше, чем каталог результатов. Читатель может продвигаться вперед, шаг за шагом, к окончательным и фундаментальным выводам. Он видит формирование идеи, ее экспериментальную реализацию и использование в качестве плацдарма для следующего продвижения. [7]

3. Экспериментальные исследования электричества

Статья, которой посвящена эта статья, является первой и самой известной из серии из тридцати статей, написанных Фарадеем и опубликованных в Королевском обществе Philosophical Transactions между 1832 и 1856 под названием Experimental Research in Electricity , каждое из которых продолжается с того места, где остановилось предыдущее. Первый был прочитан в Королевском обществе 24 ноября 1831 года. задержал появление статьи Фарадея в печати на несколько месяцев, к своему большому разочарованию [8].

14 января 1832 г., обеспокоенный тем, что французы избили его, он написал секретарю Королевского общества, убеждая его попытаться ускорить процесс публикации, «иначе эти философы могут получить некоторые из моих фактов в разговоре». , повторить их и опубликовать от своего имени, прежде чем я уйду». ⁶ Хотя точная дата появления статьи в печати неизвестна, самым ранним имеющимся у нас свидетельством является 9 апреля 1832 года. сложность, что ток может индуцироваться все время, пока 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, движется ли на самом деле проводник или объект, создающий магнитное поле (будь то постоянный магнит или другой провод, по которому течет электрический ток).

Первый эксперимент, который Фарадей обсуждает в статье, демонстрирует простую индукцию и заслуживает описания здесь. Сначала 26 футов медной проволоки были намотаны на деревянный цилиндр в виде спирали. Изоляция отдельных шпилей и предотвращение их соприкосновения друг с другом с помощью тонкой промежуточной бечевки.Затем проволочная катушка была покрыта слоем муслина (плотной хлопчатобумажной ткани, также называемой бязью — название, обычно используемое в то время, в том числе Фарадеем). Затем поверх этого был намотан второй медный провод. Этот процесс повторялся до тех пор, пока у него не было 12 катушек провода, изолированных друг от друга. Затем он соединил свободные концы всех четных витков в одну непрерывную длину, и то же самое с нечетными витками. Теперь у него было две спирали, концы одной из которых он соединил с гальванометром (прибор, изобретенный несколькими годами ранее для определения наличия электрического тока), а другой — с гальванической батареей.

Сначала Фарадей не увидел отклика гальванометра при включении батареи, но, экспериментируя с более длинными скрученными проводами, другими материалами для токопроводящих проводов и более мощными батареями, он, наконец, смог вызвать небольшую реакцию в стрелке гальванометра, отклоняясь в одну сторону при включении аккумулятора и в другую при его отключении. Теперь мы знаем этот эффект как электромагнитную индукцию — в том смысле, что изменения электрического тока в первом проводе и, следовательно, создаваемого им магнитного поля вызывали временное течение тока во втором проводе.

Затем он нашел гораздо более эффективный способ изменения магнитного поля: путем перемещения двух проводов, один из которых подключен к батарее, а другой к гальванометру, по направлению друг к другу или от него. Стрелка гальванометра колебалась то в одну, то в другую сторону в соответствии с движением проводов вперед и назад. Но как только они останавливались, то же самое делала и стрелка гальванометра, показывающая, что ток больше не проходит через второй провод, хотя он продолжал непрерывно течь через первый.

Стоит отметить, что на тот момент Фарадей, как и другие исследователи того времени, еще не понимал природу самого электричества. Он называет электричество, протекающее по проводу из-за гальванической батареи, гальваническим электричеством , а действие, которое оно оказывает на второй провод, вольта-электрической индукцией . 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 о жидкости.

Затем он переходит к гораздо более эффективной версии своего первого эксперимента, в котором он пытается индуцировать ток в катушке провода за счет включения и выключения тока в другой катушке. На этот раз он использовал ненамагниченное железное кольцо вместо оригинального деревянного цилиндра. Он намотал две катушки проволоки на противоположные стороны кольца, очень тщательно изолировав их от самого кольца и отделив каждый виток провода от соседних изолирующей нитью.Затем он подключил одну катушку к батарее, а другую катушку к гальванометру. В том случае, когда включалась батарея, «гальванометр подвергался немедленному воздействию, причем в степени, значительно превышающей описанную» ([9], § 28), и снова сильно отклонялся при выключении батареи. Ясно, что во втором проводе генерировался временный ток каждый раз, когда он подключал и отключал аккумулятор. Можно почти ощутить волнение, как пишет Фарадей:

При использовании мощности ста пар пластин [для создания как можно более мощной батареи из его вольтова столба] с этим кольцом импульс на гальванометре, когда контакт замыкался или размыкался, был настолько велик, что игла быстро обернулась четыре или пять раз, прежде чем воздушный 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 (). Нет сомнения, что это остается одним из важнейших научных объектов истории науки.

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

Затем Фарадей заметил, что при замене железного кольца медным индуцированный ток был намного слабее и был подобен тому, когда спиральные провода вообще ни на что не наматываются. Очевидно, разница здесь в том, что железное кольцо помогало создавать гораздо более сильный электромагнит, чего не могла сделать немагнитная медь.

Следующий шаг был очень важным. Фарадей понял, что должен был иметь место «какой-то специфический эффект, происходящий во время образования магнита, а не просто его виртуальное приближение, что возбудил мгновенный индуцированный ток» ([9], § 39). Он провел эксперимент, который и по сей день известен в любом классе естественных наук 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 соединил с гальванометром. Быстро вставив магнит в катушку, я увидел, как стрелка гальванометра отклонилась. Обратный процесс путем вытягивания магнита заставлял стрелку отклоняться в противоположном направлении. Затем, постоянно перемещая стержневой магнит внутрь и наружу катушки, он мог заставить стрелку гальванометра колебаться из стороны в сторону в фазе с движением магнита.

Фарадей продолжал экспериментировать с более мощными постоянными магнитами и электромагнитами разной силы, но основной принцип оставался тем же. Он торжествующе заявляет, что «различные эксперименты… доказывают, я думаю, наиболее полно производство электричества из обычного магнетизма» ([9], §57). Он решает сослаться на «действие, оказываемое таким образом обычными магнитами» как магнитоэлектрическая индукция , чтобы отличить его от вольтаэлектрической индукции , производимой полем провода с током.Что касается второго провода, который подвергается этой индукции, он описывает его как находящийся «в своеобразном состоянии» сопротивления образованию в нем электрического тока и называет его находящимся в электротоническом состоянии. Но здесь он признает, что ему еще предстоит понять свойства материи, пока она остается в этом состоянии, особенно потому, что он экспериментирует с различными проводящими материалами, такими как медь и серебро, которые сами по себе не обладают магнитными свойствами.

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

Вращающийся диск Фарадея — генерирующий непрерывный электрический ток в проводящем диске, вращающемся между двумя полюсами мощного постоянного магнита. Эта диаграмма взята из оригинальной статьи Фарадея [9]. Авторское право Королевского общества.

Затем, когда диск вращался, гальванометр зарегистрировал непрерывный ток, который явно должен был проходить через диск в радиальном направлении.Изменение направления вращения диска вызывало отклонение стрелки гальванометра в противоположном направлении, что означало изменение направления электрического тока.

Фарадей классно заметил, что «Здесь, таким образом, было продемонстрировано производство постоянного тока электричества обычными магнитами ([9], § 90)». чтобы разрезать магнитную кривую, приводится в действие сила, стремящаяся пропустить 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 прикрепляет два провода, которые соединяются с гальванометром, 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 в радиальном направлении.

Затем Фарадей делает интересную и весьма замечательную попытку описать на более микроскопическом уровне то, что может происходить внутри металлов, проводящих 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 для того, чтобы элементарная частица покинула свою спутницу, с которой она находится в стесненном состоянии, и соединилась с соседней такой же частицей, по отношению к которой она в более естественном состоянии» ([9], §76). Обратите внимание, что здесь он принимает теорию электрического тока Ампера, но с точки зрения современной физики нельзя не восхищаться его проницательностью; поскольку его описание более чем на полвека предшествовало атомной теории Больцмана и открытию электрона Дж. Дж. Томсоном, не говоря уже о понимании природы электричества как потока электронов.

Конечно, мы можем видеть, как далеко Фарадей и другие были в то время от понимания истинной природы электрического тока, по тому, как он до сих пор относится к различным видам электричества.Он определяет пять различных типов: гальваническое электричество (вырабатываемое батареей), обычное электричество (например, разряд заряженного тела, подобного лейденской банке), магнитоэлектричество (под которым он подразумевает индуцированный ток), термоэлектричество. Электричество и Электричество Животных (такие, которые, как известно, производятся некоторыми существами, такими как электрический угорь).

Здесь следует упомянуть, что американский ученый Джозеф Генри (1797–1878), чья жизнь, начиная с бедного и скромного начала, во многом отражала жизнь Майкла Фарадея, также работал (независимо) над электро- магнетизм по другую сторону Атлантики, хотя к 1830-м годам интерес к этому предмету, безусловно, распространился по всей Атлантике. Важно отметить, что Генри фактически опередил Фарадея в открытии индуктивности на несколько месяцев в 1831 году, но именно Фарадей опубликовал его первым, и поэтому, несмотря на задержки, которые его так разочаровали, ему приписывают это открытие.

4. Ошибка Фарадея

Сегодня каждый школьник и школьница знает о правилах левой и правой руки Флеминга. Эти полезные визуальные мнемоники были разработаны английским инженером Джоном Амброузом Флемингом (1849–1945) в конце девятнадцатого века и дают простой способ определить направление движения электродвигателя (правило левой руки) и направление движения. тока в генераторе (правило правой руки).Например, в правиле левой руки указательный, средний и большой пальцы могут указывать в трех взаимно ортогональных направлениях, чтобы представить магнитное поле (указательный 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 утверждает: «Отношение, которое существует между магнитным полюсом, движущимся проводом или металлом и направлением возникшего тока, т.е.е. закон, управляющий развитием электричества посредством магнитоэлектрической индукции, очень прост, хотя и довольно трудновыразим ([9], § 114)». провода сближались, индуцированный ток был в направлении, противоположном направлению индукционного тока. По мере удаления проводов индуцируемый ток шел в том же направлении, что и индуцирующий ток ([9], § 19). первое действие индуцирующего тока было в направлении, противоположном последнему, но что ток, произведенный прекращением индуцирующего тока, был в том же направлении ([9], § 26).’

Но Фарадей понял это с другой стороны [10]. показывает отрывок из его дневника (лабораторной тетради), написанный 26 марта 1832 г., что было всего за несколько дней до того, как его статья была опубликована, и, следовательно, было слишком поздно для внесения в нее каких-либо изменений. Мы даже видим интересную первую попытку рисования диаграммы. Тот, что ниже, изображает правильную взаимную ортогональность электричества, магнетизма и движения и считается одним из самых значительных рисунков в его блокноте. ⁹

Это страница из блокнота Фарадея, написанная 26 марта 1832 года (RI MS F/2/C, p.147). Он гласит: «Взаимоотношения электричества, магнетизма и движения могут быть представлены 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 в одной линии определяется электричество, а в другой — движение, то в третьей разовьется магнетизм; или если в одной линии определить электричество, а в другой магнетизм, то в третьей произойдет движение. Или, если сначала определить магнетизм, то движение будет производить электричество или движение электричества.Или, если движение будет первой определяемой точкой, Магнетизм разовьет электричество или электрический магнетизм». Воспроизведено с любезного разрешения Королевского института Великобритании.

5. Влияние открытия Фарадея

Нет сомнений в том, что эксперименты, описанные в статье Фарадея, не только заложили основу для истинного понимания природы электричества, но и для его практического применения способами, которые изменят 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, настоящая математическая теория не могла появиться до работы Джеймса Клерка Максвелла в 1865 году. найти практическое применение [11]. Например, французский производитель инструментов Ипполит Пикси (1808–1835) построил грубый электрический генератор еще в 1832 году, непосредственно основываясь на идеях Фарадея об индукции.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 менялось с каждым полуоборотом магнита. Поскольку в то время не было реального использования переменного тока (его преимущества станут очевидными только позже), необходимо было найти средство для преобразования его в постоянный (постоянный) ток.Предложение Ампера и других привело к введению коммутатора — поворотного переключателя, который меняет направление соединения с внешней цепью, когда ток меняется на противоположное, давая пульсирующий постоянный ток вместо переменного. Вскоре после изобретения Pixii другие начали производить свои собственные подобные устройства. Следует отметить двух лондонских производителей инструментов: 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 путем поворота ручки, которая вращала магнит.

Однако первым важным практическим применением открытия Фарадея был не электрический генератор, а телеграф. Основанное на способности управлять магнитом на расстоянии, это изобретение сделало возможной связь на большие расстояния, которая соединила бы мир. И это было основано на очень простой идее: движение проводящей катушки над магнитом в одном месте индуцирует ток, который передается в другое место, где воздействует на гальванометр. Идея была реализована почти сразу после того, как мир узнал о работах Фарадея, в частности, Павла Шиллинга, Карла Фридриха Гаусса и Вильгельма Вебера.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 гальванотехниками Бирмингема еще в 1844 году. Там по крайней мере две компании использовали его метод извлечения электричества из магнетизма в больших масштабах [12].

Затем в 1850-х годах темпы изобретательства ускорились, когда в преддверии коммерческого применения электрического света были разработаны конструкции все более мощных генераторов (известных как «магнитоэлектрические машины»). Но эти ранние генераторы были невероятно громоздкими и, конечно же, требовали источника энергии для создания механического движения. Первое экспериментальное развертывание магнитоэлектрической машины с паровым двигателем произошло на британском маяке. Устройство весом 2 тонны было изобретено англичанином Фредериком Х. Холмсом и впервые испытано на знаменитом экспериментальном маяке Боу-Крик на Тринити-Буй-Уорф на реке Темзе в Лондоне в мае 1857 г. под руководством Фарадея [13]. ¹⁰ В следующем году он был впервые установлен и использован на маяке Южного Форленда 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 грубых китайских компасов, использующих подвешенные магниты, магниты, наконец, стали помогать морякам другим способом: генерируя мощные электрические огни, которые безопасно уводили их от коварных скал.

К середине 1860-х годов несколько ученых и изобретателей разрабатывали практические проекты динамо-электрической машины. Эти устройства использовали катушки электромагнитного поля с автономным питанием вместо постоянных магнитов, чтобы впервые обеспечить гораздо большую выработку энергии. Таким образом, они привели к первому крупному промышленному использованию электроэнергии и были первыми генераторами, способными вырабатывать достаточную мощность для промышленности.

После открытия генератора переменного тока, ныне 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 полном разгаре между теми, кто, например, Томас Эдисон, предпочитал постоянный ток для выработки электроэнергии, и теми, кто во главе с Джорджем Вестингаузом и Николой Теслой считал, что переменный ток является путь вперед. Последние двое в конечном итоге решительно выиграли эту ожесточенную войну. Развитие передачи электроэнергии переменного тока с использованием трансформаторов (происхождение которых связано с простым индукционным кольцом Фарадея) для передачи энергии при высоком напряжении и с малыми потерями позволило центральным электростанциям стать экономически практичными.

Сегодня генератор переменного тока доминирует в крупномасштабной энергетике и использует жидкость, обычно пар, который действует как промежуточный энергоноситель для привода турбин и выработки электроэнергии. На атомных и угольных электростанциях тепло, выделяемое при ядерном делении и химическом сжигании углерода, соответственно, используется для превращения воды в пар. В некотором 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 работами по электромагнитной индукции и, в частности, тем, что Фарадей начал называть «силовыми линиями» для описания влияние электрических и магнитных полей. Молодой Максвелл регулярно посещал лекции Фарадея в Королевском институте и уже в 1856 году опубликовал статью под названием «О силовых линиях Фарадея », из которой интересно процитировать следующее:

«Я попытался донести до ума в удобной и удобной форме те математические идеи, которые необходимы для изучения явления электричества. Методы, как правило, подсказаны в процессе рассуждения, обнаруженного в исследованиях Фарадея и которые, хотя и были математически интерпретированы проф.Томсон и другие, как правило, имеют неопределенный и нематематический характер по сравнению с теми, которыми пользуются мнимые математики. С помощью метода, который я использую, я надеюсь сделать очевидным, что я не пытаюсь установить 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 путем При строгом применении идей и методов Фарадея связь самых различных порядков явлений, которые он открыл, может быть ясно поставлена ​​перед математическим умом.

Несколькими годами позже, в 1861–1862 гг., Максвелл опубликовал знаменитую статью из четырех частей, озаглавленную « О силовых линиях физики », за которой в 1865 г. последовала его величайшая работа [14] «Динамическая теория». электромагнитного поля» [15], в которой он объединил электрические и магнитные поля в одно понятие: волна, бегущая в пространстве со скоростью света, и в которой он впервые изложил свои знаменитые уравнения (хотя еще не в форме из четырех уравнений, носящих его имя и знакомых каждому студенту-физику).Это объединение света и электричества считается одним из ключевых достижений в истории науки, благодаря которому теории Фарадея обрели математическую плоть.

Книга Максвелла [16] заложила основы не только последующего открытия радиоволн, но и большей части современной физики, включая работу Эйнштейна по специальной теории относительности и развитие квантовой теории в первые десятилетия двадцатого века. Это, в свою очередь, привело к множеству замечательных достижений, которые сформировали наш современный электронный век, от телевидения до компьютеров и смартфонов. Когда мы смотрим вокруг себя сегодня, мы не можем не видеть всеохватывающего влияния, которое работа Фарадея оказала на нашу жизнь, и которое не собирается ослабевать.

На протяжении всей своей жизни Фарадей был гораздо больше заинтересован в понимании лежащих в основе 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, основанного на любопытстве и проводимого ради самого исследования.

Благодарности

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

Footnotes

¹ Многие историки науки сочли бы использование термина «ученый» по отношению к естествоиспытателям или химикам (включая самого Фарадея) анахронизмом. Однако в дальнейшем в этой статье мы все же будем использовать этот современный термин, тем более, что между работой Фарадея и изобретением слова кембриджским историком и философом Уильямом Уэвеллом в 1834 году всего два года.

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

³ О жизни Фарадея см. [2,3].

⁴ Фарадей. 1825 Дневник
1 , 279.

⁵ Фактически 24 ноября была прочитана только первая часть газеты. Остаток был зачитан еще два раза, 8 и 15 декабря.

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

⁷ Фарадей Гудзону, 9 апреля 1832 г., в [1], том. 2, литер 566.

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

⁹ Фрэнк Джеймс из Королевского института в настоящее время готовит электронное издание лабораторной тетради Фарадея, описывающей его эксперименты по индукции.

¹⁰ Самая ранняя машина Холмса для постоянного тока включала 120 постоянных магнитов подковообразной формы, каждый весом 50 фунтов, а также 160 катушек; последующие версии были несколько меньше.

Профиль автора

Джим Аль-Халили — физик, писатель и телеведущий из Университета Суррея, где он в настоящее время преподает и проводит исследования в области квантовой физики. В 1989 году он получил докторскую степень по теоретической ядерной физике 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 вошла в шорт-лист премии Уорвика в 2013 году.Его последняя книга — «Жизнь на грани: взросление квантовой биологии». Он регулярно ведет научно-популярные телевизионные документальные фильмы, в том числе номинированные на премию Bafta «Химия: неустойчивая история» и «Шок и трепет: история электричества» для BBC. В течение последних трех лет он ведет очень успешную еженедельную программу BBC Radio 4 «The Life Scientific». В 2007 году он получил медаль Майкла Фарадея Королевского общества за научную коммуникацию.

Ссылки

1. Джеймс ФАЙЛ.2012.
Переписка Майкла Фарадея (6 томов, Лондон, 1991–2012 гг.). [Google Академия]2. Джеймс ФАЙЛ.
2010.
Майкл Фарадей: очень краткое введение. Оксфорд, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. [Google Академия]3. Рассел КА.
2001.
Майкл Фарадей: наука и вера (Oxford University Press;). [Google Академия]4. Бауэрс Б., Саймонс Л.
1991.
Любопытство полностью удовлетворено: путешествие Фарадея по Европе 1813–1815 гг. Лондон, Великобритания: Peter Peregrinus Ltd совместно с Музеем науки. [Google Академия]5.Гудинг Д.
1991.
Эксперимент и создание смысла: человеческий фактор в научном наблюдении и эксперименте. Дордрехт, Нидерланды: Kluwer. [Google Академия]6. Туини Р.Д., Гудинг Д.
1991.
«Химические заметки, намеки, предложения и объекты исследования» Майкла Фарадея 1822 г. , стр. 70–71. Лондон, Великобритания. [Google Академия]7. Сартон Г.
1934.
Рецензия на «Дневник Фарадея Майкла Фарадея» Томаса Мартина. Исида
20, 472–474. (10.1086/346808) [CrossRef] [Google Scholar]8. Андерсон Р.
1993.
Оценка рецензентов «Работы Фарадея об электромагнитной индукции 1831 года».Примечания Рек. Р. Соц. Лонд. 47, 243–256. (10.1098/rsnr.1993.0031) [CrossRef] [Google Scholar]9. Фарадей М.
1832.
Экспериментальные исследования в области электричества. Фил. Транс. Р. Соц. Лонд.
122, 125–162. (10.1098/rstl.1832.0006) [CrossRef] [Google Scholar] 10. Ромо Дж., Донсель М.Г.
1994.
Первоначальная ошибка Фарадея относительно направления наведенных токов и рукопись I серии его исследований». Арка История Точная наука.
47, 291–385. (10.1007/BF00374741) [CrossRef] [Google Scholar] 11. Джеймс ФАЙЛ.1999.
Талант инженера-строителя: Майкл Фарадей, наука, инженерия и служба английских маяков, 1836–1865 гг. Транс. Ньюкомен Соц.
70, 153–160. [Google Академия] 12. Томас Дж.М.
1991.
Майкл Фарадей и Королевский институт: гений человека и места (Издательство IOP, впоследствии опубликованное Тейлором и Фрэнсисом), стр. 51. [Google Академия]13. Холмс ФХ.
1863 г.
О магнитоэлектричестве и его применении в маячных целях. Инженер
16, 337–338. [Google Академия] 14. Нивен ВД. (ред.).1965 год.
Научные статьи Джеймса Клерка Максвелла, Dover Publications, по специальной договоренности с Cambridge University Press, p. 157. [Google Академия] 15. Максвелл Дж.
1865 г.
Динамическая теория электромагнитного поля. Фил. Транс. Р. Соц. Лонд.
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]

Молекулярные выражения: электричество и магнетизм

BBC — История — Майкл Фарадей

Майкл Фарадей
©

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

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года на юге Лондона. Его семья была небогатой, и Фарадей получил лишь базовое формальное образование. Когда ему было 14 лет, он поступил в ученики к местному переплетчику и в течение следующих семи лет обучался, читая книги по широкому кругу научных тем. В 1812 году Фарадей посетил четыре лекции химика Гемфри Дэви в Королевском институте. Впоследствии Фарадей написал Дэви с просьбой о работе его помощником.Дэви отказал ему, но в 1813 году назначил его помощником химика в Королевском институте.

Год спустя Фарадея пригласили сопровождать Дэви и его жену в 18-месячном европейском турне, в ходе которого он посетил Францию, Швейцарию, Италию и Бельгию и встретился со многими влиятельными учеными. По возвращении в 1815 году Фарадей продолжал работать в Королевском институте, помогая в экспериментах Дэви и другим ученым. В 1821 году он опубликовал свою работу об электромагнитном вращении (принцип работы электродвигателя).Он смог провести мало дальнейших исследований в 1820-х годах, поскольку был занят другими проектами. В 1826 году он основал пятничные вечерние беседы Королевского института и в том же году рождественские лекции, которые продолжаются и по сей день. Он сам читал много лекций, зарекомендовав себя как выдающийся научный лектор своего времени.

В 1831 году Фарадей открыл электромагнитную индукцию, принцип работы электрического трансформатора и генератора. Это открытие имело решающее значение для превращения электричества из диковинки в мощную новую технологию.В течение оставшейся части десятилетия он работал над развитием своих идей об электричестве. Он был частично ответственен за создание многих знакомых слов, включая «электрод», «катод» и «ион». Научные знания Фарадея использовались для практического применения благодаря различным официальным назначениям, в том числе научным советником Тринити-Хаус (1836–1865) и профессором химии в Королевской военной академии в Вулидже (1830–1851).

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

Законы электромагнитной индукции Фарадея: первый и второй законы

Что такое закон Фарадея

Закон электромагнитной индукции Фарадея (называемый законом Фарадея ) является основным законом электромагнетизма, предсказывающим, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрическая цепь для создания электродвижущей силы (ЭДС).Это явление известно как электромагнитная индукция.

Закон Фарадея гласит, что в проводнике, который подвергается воздействию изменяющегося магнитного поля, возникает ток. Закон электромагнитной индукции Ленца утверждает, что направление этого индуцированного тока будет таким, что магнитное поле, создаваемое индуцированным током , противодействует начальному изменяющемуся магнитному полю, которое его создало. Направление этого тока можно определить с помощью правила правой руки Флеминга.

Закон индукции Фарадея объясняет принцип работы трансформаторов, двигателей, генераторов и катушек индуктивности. Закон назван в честь Майкла Фарадея, который провел эксперимент с магнитом и катушкой. В ходе эксперимента Фарадей обнаружил, как ЭДС индуцируется в катушке при изменении потока, проходящего через катушку.

Эксперимент Фарадея

В этом эксперименте Фарадей берет магнит и катушку и подключает к катушке гальванометр. При запуске магнит покоится, поэтому в гальванометре нет отклонения i.e стрелка гальванометра находится в среднем или нулевом положении. При приближении магнита к катушке стрелка гальванометра отклоняется в одну сторону.

Когда магнит удерживается неподвижно в этом положении, стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение. Теперь, когда магнит удаляется от катушки, стрелка имеет некоторое отклонение, но в противоположном направлении, и снова, когда магнит становится неподвижным, в этой точке относительно катушки стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение.Точно так же, если магнит удерживается неподвижно, а катушка движется в сторону и к магниту, гальванометр также показывает отклонение. Также видно, что чем быстрее изменяется магнитное поле, тем больше будет ЭДС индукции или напряжение в катушке.

Вывод: Из этого эксперимента Фарадей пришел к выводу, что всякий раз, когда существует относительное движение между проводником и магнитным полем, потокосцепление с катушкой изменяется, и это изменение в потоке индуцирует напряжение на катушке.

Майкл Фарадей сформулировал два закона на основе приведенных выше опытов. Эти законы называются Фарадеевскими законами электромагнитной индукции .

Первый закон Фарадея

Любое изменение магнитного поля катушки с проводом вызывает появление в катушке ЭДС. Эта индуцированная ЭДС называется ЭДС индукции, и если цепь проводника замкнута, ток также будет циркулировать по цепи, и этот ток называется индуктивным током.
Способ изменения магнитного поля:

1. Путем перемещения магнита к катушке или от нее
2. Путем перемещения катушки в магнитное поле или из него
3. Путем изменения площади катушки, помещенной в магнитное поле
4. При вращении катушки относительно магнита

Второй закон Фарадея

Он утверждает, что величина ЭДС, индуцированной в катушке, равна скорости изменения потока, связанного с катушкой.Потокосцепление катушки является произведением числа витков в катушке и потока, связанного с катушкой.

Формула закона Фарадея

Рассмотрим магнит, приближающийся к катушке. Здесь мы рассматриваем два момента времени T ₁ и время T ₂ .

Потокосцепление с катушкой во времени,

Потокосцепление с катушкой во времени,

Изменение потокосцепления,

Пусть это изменение потокосцепления будет,

Итак, Изменение потокосцепления

Теперь скорость изменения потокосцепления

Возьмем производную справа и получим

Скорость изменения потокосцепления

Но по закону электромагнитной индукции Фарадея скорость изменения потокосцепления равна ЭДС индукции .

С учетом закона Ленца.

Где:

• Поток Φ в Вб = BA
• B = напряженность магнитного поля
• A = площадь катушки

Как увеличить ЭДС, индуцированную в катушке

• катушки, т.е. N, из полученных выше формул легко видно, что если число витков в катушке увеличивается, ЭДС индукции также увеличивается.
• За счет увеличения напряженности магнитного поля, т.е. B, окружающего катушку. Математически, если магнитное поле увеличивается, увеличивается поток, а если поток увеличивается, индуцированная ЭДС также увеличивается.Теоретически, если катушка проходит через более сильное магнитное поле, будет больше силовых линий, которые катушка может разрезать, и, следовательно, будет больше индуцированной ЭДС.
• Путем увеличения скорости относительного движения между катушкой и магнитом. Если относительная скорость между катушкой и магнитом увеличивается по сравнению с предыдущим значением, катушка будет перерезать линии потока с большей скоростью, поэтому ЭДС индукции будет больше. будет производиться.

Применение закона Фарадея

Закон Фарадея — один из самых основных и важных законов электромагнетизма.Этот закон находит применение в большинстве электрических машин, промышленности, медицине и т. д.

• Работа силовых трансформаторов основана на законе Фарадея
• Основным принципом работы электрического генератора является закон взаимной индукции Фарадея.
• Индукционная плита — самый быстрый способ приготовления пищи. Он также работает по принципу взаимной индукции. Когда ток течет по катушке из медной проволоки, расположенной под контейнером для приготовления пищи, он создает изменяющееся магнитное поле.Это переменное или меняющееся магнитное поле индуцирует ЭДС и, следовательно, ток в проводящем сосуде, а мы знаем, что протекание тока всегда производит в нем тепло.
• Электромагнитный расходомер используется для измерения скорости определенных жидкостей. Когда магнитное поле приложено к электрически изолированной трубе, в которой течет проводящая жидкость, то согласно закону Фарадея в ней индуцируется электродвижущая сила. Эта индукционная ЭДС пропорциональна скорости течения жидкости.
• Основы электромагнитной теории. Представление Фарадея о силовых линиях используется в известных уравнениях Максвелла. Согласно закону Фарадея, изменение магнитного поля вызывает изменение электрического поля, и в уравнениях Максвелла используется обратное этому закону.
• Он также используется в музыкальных инструментах, таких как электрогитара, электроскрипка и т. д.
  Майкл Фарадей

  Британский ученый Майкл Фарадей — человек, который так много сделал для нашего понимания электричества и магнетизма — имел относительно скромное начало.Он родился 22 сентября 1791 года в семье местного кузнеца в районе Лондона, ныне известном как Слон и Замок. Он посещал дневную школу и изучил основы чтения, письма и арифметики, но никогда не получал более формального образования. Вместо этого в возрасте 14 лет он семь лет учился на переплетчика, в течение которых у него появился интерес к науке, особенно к химии.

  Природная любознательность Фарадея привела его к тому, что он много читал по естественным наукам и проводил химические эксперименты, даже построил свою собственную электростатическую машину.Он также присоединился к Городскому философскому обществу в 1810 году, которое занималось самосовершенствованием в группе молодых людей, которые собирались каждую неделю, чтобы послушать лекции на научные темы и обсудить научные вопросы. Именно здесь Фарадей прочитал свои первые лекции, а также познакомился с Хамфри Дэви, профессором химии Королевского института. В 1813 году Дэви назначил молодого Фарадея ассистентом-химиком в Королевский институт, тем самым направив своего протеже в направлении того, что впоследствии стало блестящей научной карьерой.

  В 1820 году датский естествоиспытатель Ганс Христиан Эрстед открыл явление электромагнетизма, которое открыло большую область научных исследований по всей Европе. Фарадей принял участие в этих усилиях. 3 сентября 1821 года он провел серию экспериментов в своей подвальной лаборатории Королевского института, кульминацией которых стало открытие им электромагнитного вращения — принципа работы электродвигателя.

  Однако в последующее десятилетие возможности Фарадея для проведения оригинальных исследований были строго ограничены, хотя он быстро стал известен как один из выдающихся научных лекторов своего времени.Он сжижал хлор в 1823 году и открыл бензол двумя годами позже, но он не возобновлял свою работу по электромагнетизму до августа 1831 года, когда Фарадей начал десятидневную интенсивную работу, оказавшую революционное воздействие. Еще с 1825 года он задавался вопросом, может ли электрический ток, проходящий через проводник, вызвать электрический ток в соседнем проводнике.

  Лаборатория Майкла Фарадея. Врезное изображение аппарата Фарадея. (AIP Emilio Segrè Visual Archives; врезка: http://www.the-education-site.com/faraday.html)

  29 августа ему удалось сделать это с помощью железного кольца диаметром шесть дюймов, вокруг которого были намотаны пять витков медной проволоки. Одна катушка была подключена к вольтовой батарее, а другая к гальванометру. В тот момент, когда ток в батарее был активен, в гальванометре возник переходный ток в обратном направлении. Этот ныне известный индукционный элемент был первым электрическим трансформатором, и современные трансформаторы, некоторые из которых имеют мощность до 550 МВА и содержат более 40 тонн меди, до сих пор строятся по тому же принципу.

  Затем Фарадей продемонстрировал, что магнитные силовые линии можно разрезать и индуцировать ток, просто вращая вручную медный диск между полюсами мощного электромагнита. Теперь этот принцип известен как принцип динамо-машины и вскоре нашел практическое применение во многих небольших электрических генераторах. Потребовалось несколько лет, чтобы такие генераторы стали эффективными, но к 1841 году многополярные машины с механическим приводом использовались в Бирмингеме для гальванического покрытия медных изделий, а к 1858 году генератор электрического света был установлен на маяке Норт-Форленд.

  В течение оставшейся части 1830-х годов Фарадей работал над развитием своих идей об электричестве, сформулировав новую теорию электрохимического действия, из которой были придуманы многие слова, которые сегодня являются основными в научных исследованиях: электрод, электролит, анод, катод и ион. , назвать несколько. Он также работал над новой теорией статического электричества и электрической индукции, которая заставила его отвергнуть традиционное представление о том, что электричество представляет собой невесомую жидкость.