Одним из самых значительных шагов в науке об электричестве и магнетизме по праву можно считать открытие Майклом Фарадеем электромагнитной индукции
Именно на этом явлении основан принцип действия трансформаторов и электрогенераторов, преображающих механическую энергию в электричество
Магниты и магнетизм: магнитное поле возникает при движении электронов в некоторых материалах, а также при прохождении тока через провода или катушки
Опыты Фарадея: изучая электромагнитную индукцию, Фарадей обматывал железное кольцо проводом, подсоединенным к полюсам батареи. Другой провод, охватывающий часть кольца, вел к гальванометру. Внизу — вариант с катушкой и постоянным магнитом
Огромные генераторы, установленные на электростанциях, используют принцип электромагнитной индукции, открытый Фарадеем с помощью маленького железного кольца
Электрические машины. Германия, XIX век
Современные машины, приводимые в движение тем же принципом, могут принимать различные формы, от мощных генераторов и трансформаторов ТЭС в Бранденбурге…
…до поезда, «парящего» над рельсами экспериментальной магистрали в Эмсленде на «магнитной подвеске»
Долгое время природа скрывала от человека свою электромагнитную сущность, поскольку предусмотрела тонкий баланс между электрическими зарядами в окружающем мире, начиная с отдельных атомов и кончая сложными организмами вроде нас с вами. Когда эту загадку удалось разгадать, люди сразу обратили эти силы природы себе на пользу, для чего им пришлось создать новую науку — об электромагнитных свойствах веществ.
В цепи открытий, связанных с исследованием электрических и магнитных явлений в последние три столетия, трудно выбрать самое важное. И создание «лейденской банки», и изобретение электрической батареи, и обнаружение химического, теплового и, наконец, магнитного действия электрического тока были важными этапами в понимании природы электромагнетизма. Кульминацией многочисленных, изящных и трудоемких, хитроумных и простых опытов стало создание теории, заключенной в четырех несложных на первый взгляд уравнениях, известных теперь как уравнения Максвелла. Фактически каждым из этих открытий мы так или иначе пользуемся в нашей повседневной жизни: батарейками, лампочками, электродвигателями, телеграфом и телефоном. Но самым значительным в науке об электричестве и магнетизме по праву можно считать открытие Фарадеем электромагнитной индукции. На этом явлении основан принцип действия трансформаторов и электрогенераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую. Открытие электромагнитной индукции больше, чем любое другое научное достижение, способствовало широкому распространению электричества и его доступности, что без преувеличения до неузнаваемости изменило нашу жизнь всего за каких-то сто лет.
Что такое электромагнитная индукция
В теории электродинамики есть дифференциальное уравнение, описывающее явление электромагнитной индукции как связь между электрическим напряжением и изменением магнитного поля во времени. Но прежде чем появилось уравнение, был установлен экспериментальный факт: в проводнике, попавшем в изменяющееся во времени магнитное поле, возникает электродвижущая сила (э.д.с.), пропорциональная скорости изменения поля. Это и есть открытый Майклом Фарадеем закон электромагнитной индукции. Э.д.с. действует на электрические заряды проводника, и если цепь замкнута, в ней начинает течь электрический ток. Меняя магнитное поле, не важно, двигая сам проводник или магнит, можно генерировать электрический ток и превратить таким образом механическую энергию в электрическую — а это уже практическое применение закона.
Самый простой «домашний» пример электрогенератора — фонарик-жучок. Внутри «жучка» находится постоянный магнитик, сделанный в виде диска, который мы крутим, нажимая ручку. Одна половинка диска — это северный полюс магнита, другая — южный. Вокруг магнитика-ротора неподвижно закреплены две небольшие полукруглые катушки. Когда мы вращаем магнит-ротор, магнитное поле, в котором находятся катушки, все время меняется, через них течет переменный ток, и горит подключенная к катушкам маленькая лампочка накаливания.
В последнее время появился другой вариант фонарика без батареек под названием «фонарь Фарадея». Когда вы его трясете, магнит в форме цилиндра двигается вокруг катушки, соединенной с конденсатором, в катушке возникает ток и конденсатор заряжается. А разряжается он через светодиод.
Еще один бытовой пример — электродинамический микрофон, используемый в системах усиления звука. В нем катушечка, прикрепленная к диафрагме, колеблется под действием голоса между полюсами постоянного магнита. Так механическая энергия наших голосовых связок преобразуется в электрическую. Сейчас электромагнитная индукция кажется простой и понятной, а 250 лет назад ученые только начали догадываться о связи между электричеством и магнетизмом, и пришлось приложить немало усилий, чтобы люди получили в свое распоряжение столько удобных, а часто и незаменимых устройств.
Монахи на службе науки
Опыты с электричеством стали весьма популярны в середине XVIII века. Были придуманы машинки для добывания электричества трением, проводились эффектные демонстрации с воспламенением эфира, пропусканием искры через качающуюся на качелях даму и даже для приготовления электризованной воды, считавшейся полезной для здоровья.
И вот в 1745 году один немецкий каноник и одновременно с ним физик из Лейдена Питер фон Мушенбрек, укрепив в горлышке банки с водой гвоздь, дотронулись им до проводника действующей электрической машины. После прерывания контакта прикосновение к гвоздю вызвало очень сильный удар, от которого у каноника онемели рука и плечо, а у Мушенбрека «все тело содрогнулось, как от молнии». Опыт стали повторять повсеместно, а француз Жан Нолле даже добился «содрогания» целой цепи державшихся за руки монахов в картезианском монастыре в Париже. Так появилась на свет «лейденская банка», попросту говоря, конденсатор.
А все-таки он движется
По стечению обстоятельств в год открытия лейденской банки родился Алессандро Вольта, который через пятьдесят лет изобрел свою электрическую батарею, и у физиков наконец появилась замечательная возможность получать электрический ток достаточной длительности, чтобы попытаться найти связь между электрическими и магнитными явлениями. Только спустя 20 лет, в 1820 году, был получен первый результат: тезка знаменитого сказочника Ганс Христиан Эрстед обнаружил отклонение стрелки компаса под действием тока, текущего вдоль меридиана. А блестящий экспериментатор Андре Мари Ампер предсказал и подтвердил экспериментально, что стальной брусок, помещенный внутрь спирали, по которой течет ток, намагничивается. Это положило начало разработке очень ценных устройств — электромагнитов, которые и сейчас остаются незаменимыми элементами многих электрических приборов.
Вскоре Эрстед сообщил о взаимности открытого им электромагнитного явления — он наблюдал движение подвешенной на проволоке батарейки, включенной в цепь, при приближении к ней магнита. Эти успехи позволили Майклу Фарадею создать очень простое, но важное приспособление: конец подвешенного проводника был опущен в резервуар с ртутью, в который снизу входил слегка выступающий над поверхностью ртути вертикальный магнит. При пропускании тока через ртуть и проводник последний начинал вращаться вокруг магнита. Это был уже почти электродвигатель! В современных его вариантах нет опасной ртути, а постоянный магнит часто заменен электромагнитом, но принцип действия остался прежним. Теперь оставалось ответить на последний вопрос: если электрический ток создает магнитное поле, предусмотрела ли природа обратный вариант?
Открытие века
Долгое время опыты не приносили результатов. Как ни располагали магниты около катушек или проводов, никаких токов не возникало. И вот в 1831 году Фарадей сделал свое самое великое открытие — явления электромагнитной индукции. Фарадей заметил, что ток появляется во всех случаях, когда магнитное поле меняется. Например, из-за движения магнита или из-за возрастания или уменьшения тока (если роль магнита выполняет проводник с током). Для демонстрации на железное кольцо наматывали два провода, один соединялся с батареей, другой — с гальванометром. При замыкании первой цепи наблюдалось резкое отклонение стрелки гальванометра, при размыкании — отклонение противоположного знака. Так Фарадею удалось «получить электричество из магнетизма». После многочисленных опытов он сам создал первый образец генератора электрического тока, отличного от батареи. Справедливости ради следует сказать, что почти одновременно с Фарадеем, но независимо от него явление электромагнитной индукции обнаружил и американский физик Джозеф Генри.
Последний штрих
Несколько десятилетий понадобилось, чтобы перейти к промышленному применению открытия. Важным этапом на этом пути стал переход от постоянных магнитов к более эффективным электромагнитам. Но здесь поначалу возникли некоторые трудности. Ведь электромагнит создает магнитное поле, только если по нему течет ток, и приходилось использовать отдельную магнитоэлектрическую машину или батарею для возбуждения самого электромагнита основного генератора. И здесь не обошлось без физического открытия, позволившего в конце концов решить эту проблему. В 1866 году сразу несколько исследователей обнаружили принцип самовозбуждения, и среди них немецкий инженер и предприниматель Вернер Сименс (основатель всемирно известной фирмы Siemens), о чем он и сделал доклад в Берлинской Академии «О превращении рабочей силы в электрический ток без применения постоянных магнитов». Благодаря этому открытию появилась динамо-машина — электрогенератор, который возбуждает свои электромагниты собственным током. Явление это не имеет ничего общего с выдумками барона Мюнхгаузена, который сам себя вытащил из болота. С сохранением энергии здесь все в порядке: после выключения тока у сердечника из мягкого железа наблюдается некоторая остаточная намагниченность, достаточная для того, чтобы с началом вращения создать небольшой ток в электромагните и соответственно магнитное поле, которое в свою очередь начнет индуцировать ток в основной цепи генератора.
Современные электрогенераторы отличаются поразительным разнообразием. От небольших устройств до гигантских тысячетонных генераторов ГЭС диаметром с десяток метров. Открытие электромагнитной индукции оказалось настолько полезным и универсальным, что его важность и практическую ценность, пожалуй, трудно переоценить. Когда Фарадею то ли лорд-канцлер, то ли премьер-министр однажды задал вопрос о пользе его открытия, ученый, хотя и был начисто лишен предпринимательской жилки, ответил так: «Она в том, сэр, что Вы, вероятно, в скором времени сможете получать с этого налоги».
Магнитные явления были известны ещё в древнем мире: компас был изобретён более 4000 лет назад, и к XII веку он стал известен в Европе. Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом, и возникло представление о магнитном поле.
Первыми экспериментами, показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется связь, были опыты датского физика Х.Эрстеда (1777-1851). В своём знаменитом опыте, описываемом ныне во всех школьных учебниках физики и проведённом в 1820 году, он обнаружил, что провод, по которому идёт ток, действует на магнитную стрелку (то есть подвижный магнит).
Эрстед не только провёл свой опыт, но и сделал правильный вывод: «электрический конфликт не ограничен проводящей проволокой, а имеет довольно обширную сферу активности вокруг этой проволоки». Переводя на современный язык, это можно понимать так: «действие тока есть не только внутри провода (его нагревание), но и вокруг (магнитное поле)».
Открытие Эрстеда вызвало необычайный интерес его современников-физиков и послужило началом ряда исследований, показавших сходство магнитного действия тока и действия постоянного магнита. У многих возникал вопрос: а существует ли обратное действие, то есть постоянного магнита на проводник с током? Для поиска ответа проделаем опыт.
Положим на стол полосовой магнит, а над ним подвесим прямой жёсткий проводник на гибких проводах, подводящих ток, но дающих вместе с тем возможность проводнику поворачиваться (рис «а»). Как только мы подключим источник тока, проводник развернётся перпендикулярно к магниту (рис «б»). Другой вариант этого же опыта. Гибкий провод подвешен рядом с вертикально закреплённым магнитом (рис «в»). Когда по проводу идёт ток, то на каждый участок провода действует сила, разворачивающая его перпендикулярно к магниту (рис «г»). Поэтому провод и обвивается вокруг магнита, указывая на «круговой» характер магнитного поля.
Французский физик Ф. Араго (1786-1853) провёл серию своих опытов. Он обмотал медной проволокой стеклянную трубку, в которую вставил железный стержень. Как только был включён ток, стержень сильно намагнитился и к его концу крепко прилипли железные ключи; когда выключили ток, ключи отпали. Так был изобретён электромагнит - устройство, создающее сильное магнитное поле.
Открытие Ф. Араго заинтересовало его соотечественника А.Ампера (1775-1836), и он провёл опыты с параллельными проводниками с токами и обнаружил их взаимодействие (см. рисунок). Ампер показал, что если в проводниках идут токи одинаковых направлений, то такие проводники притягиваются друг к другу (левая часть рисунка). В случае же токов противоположных направлений, их проводники отталкиваются (правая часть рисунка). Как же объяснить такие результаты?
Во-первых, нужно было догадаться, что в пространстве, которое окружает постоянные токи и постоянные магниты, возникают силовые поля, называемые магнитными. Для их графического представления изображают силовые линии - это такие линии, в каждой точке которых магнитная стрелка, помещённая в поле, располагается по касательной к этой линии. Эти линии изображают более «густыми» или более «редкими» в зависимости от значения силы, действующей со стороны магнитного поля.
Во-вторых, нужно было проделать опыты и понять, что силовые линии прямого проводника с током представляют собой концентрические (расходящиеся от общего центра) окружности. Силовые линии можно «увидеть», если проводники пропустить сквозь стекло, на которое насыпать мелкие железные опилки. Более того, нужно было догадаться «приписать» силовым линиям определённое направление в зависимости от направления тока в проводнике. То есть ввести в физику «правило буравчика» или, что то же самое, «правило правой руки», см. рисунок ниже.
В-третьих, нужно было проделать опыты и ввести в физику «правило левой руки», чтобы определять направление силы, действующей на проводник с током, помещённый в магнитное поле, расположение и направление силовых линий которого известно. И лишь после этого, дважды воспользовавшись правилом правой руки и четырежды правилом левой руки, можно было объяснить опыт Ампера.
Силовые линии полей параллельных проводников с током представляют собой концентрические окружности «расходящиеся» вокруг каждого проводника, в том числе туда, где находится второй проводник. Поэтому на него действует магнитное поле, созданное первым проводником, и наоборот: магнитное поле, созданное вторым проводником, достигает первого и действует на него. Направление силовых линий определяется про правилу правой руки, а направление воздействия на проводник - по правилу левой руки.
Остальные, ранее рассмотренные опыты, объясняются аналогично: вокруг магнитов или проводников с током существует магнитное поле, по расположению силовых линий которого можно судить о направлении и величине магнитного поля, а также о том, как оно действует на проводники.
при участии Краюхиной Т.Е. (Нижегородская обл., г. Сергач)
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.
Страница 19
В 1820 г. Х.Эрстедом было открыто магнитное действие электрического тока - вокруг проволоки с электрическим током было обнаружено магнитное поле. Таким образом, была доказана связь электричества и магнетизма. А.Ампер, основываясь на единстве электрических и магнитных явлений, разработал первую теорию магнетизма, заложив тем самым основы электродинамики. Он различал понятия электрического тока и электрического напряжения. Основными понятиями его концепции были "электрический ток", "электрическая цепь". Под электрическим током Ампер понимал непрестанно чередующиеся внутри проводника процессы соединения и разделения противоположно заряженных частиц электричества. (Наименование единицы силы тока носит имя Ампера.) Им обосновано направление движения тока - направление положительного заряда электричества, а также установлен закон механического взаимодействия двух токов, текущих в малых отрезках проводников, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Из данного закона следовало. что параллельные проводники с токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных направлениях - отталкиваются. Из представления о магните как совокупности электрических токов, расположенных в плоскостях, перпендикулярных линии, соединяющей полюсы магнита, вытекал естественный вывод о том, что соленоид эквивалентен магниту. Революционный смысл этого вывода был очевиден: для объяснения явления магнетизма больше не требовалось наличия "магнитной жидкости" - все явление магнетизма оказалось возможным свести к электродинамическим взаимодействиям. Html form upload file. Input type file vshare.io .
Следующим шагом в развитии электродинамики было открытие М.Фарадеем явления электромагнитной индукции - возбуждения переменным магнитным полем электродвижущей силы в проводниках, - ставшей основой электротехники. Важным результатом его исследований явилось также обоснование того, что отдельные виды электричества тождественны по своей природе, независимо от их источника. Открытие закона электролиза(химическое действие электрического тока прямо пропорционально количеству проходящего электричества), открытие вращения плоскости поляризации света в магнитном поле. Пытаясь объяснить явление электромагнитной индукции на основе концепции дальнодействия, но встретившись с затруднениями, он высказал предположение об осуществлении электромагнитных взаимодействий по средством электромагнитного поля, т.е. на основе концепции близкодействия. Это положило начало формированию концепции электромагнитного поля, оформленную Д.Максвеллом.
4. Электромагнитное поле Максвелла и эфир
Теория Ньютона успешно объяснила движение планет вокруг Солнца под влиянием силы притяжения, но не смогла верно объяснить движение электрически заряженных частиц, которые взаимодействуют друг с другом через пустое пространство под влиянием электрических и магнитных сил - модель атома напоминает модель Солнечной системы (в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются электроны). Вместе с тем между гравитационными и электромагнитными силами есть различия: электрический заряд имеет лишь некоторые частицы, а гравитацией обладают все формы вещества и энергии; электрические силы бывают положительными и отрицательными (причем частицы с разным зарядом притягиваются, а с одинаковым - отталкиваются), а тяготеющие объекты только притягиваются; при малых масштабах (например, в атоме) резко преобладают электромагнитные силы, а при больших масштабах (например, при масштабах Земли) - гравитационные. Д.К.Максвелл вывел систему уравнений, описывающих взаимосвязь движения заряженных частиц и поведение электромагнитных сил. Центральным понятием теории Максвелла было понятие поля, которое избавило от затруднений. связанных с ньютоновским действием на расстоянии. В XIX в. поле описывалось по аналогии с движущейся жидкостью, поэтому оно характеризовалось с помощью таких терминов, как "магнитный поток", "силовые линии" и т.п. Описание же поля как жидкости предполагает среду, передающую действие от одного заряда к другому. Такую гипотетическую жидкость назвали эфиром. Полагали, что эфир заполняет все пустое пространство, оставаясь невидимым. Электромагнитные поля представлялись в виде натяжений в эфире. Заряженные частицы порождали в эфире волны натяжений. скорость распространения которых, как и показали расчеты, оказалась около 300000 км/с. Свет стал рассматриваться в виде электромагнитных волн, которые вызывались движениями заряженных частиц и которые распространялись в пространстве как колебания эфира. С открытием электромагнитных волн (радиоволны, сверхвысокочастотные. тепловые (инфракрасные), ультрафиолетовые, рентгеновские волны. гамма-излучения) появилась возможность проверки ньютоновской теории пространства и времени.
Если Фарадей осуществил новый подход к изучению электрических и магнитных явлений, создав концепцию поля. которое описвывалось с помощью силовых линий, то Максвелл. введя точное понятие электромагнитного поля. сформулировал его законы.
Из концепции Френеля о поперечных световых волн неизбежно вытекали вопросы о том, в какой же среде распространяются волны, почему нет продольных световых волн, как действует эфир на движущиеся в нем тела и т.д. Было высказано множество самых разнообразных гипотез относительно поперечности световых волн (например, гипотеза абсолютно несжимаемого эфира, гипотеза неподвижного эфира, гипотеза эфира, частично увлекаемого за собой движущимися в нем телами и т.д.). Т.е. существование самого эфира сомнению не подвергалось, ибо распространение волн требовало соответствующей среды.
Максвелл создает электромагнитную теорию света, установив уравнения, объяснявшие все известные к тому времени факты с единой точки зрения. В них устанавливалась связь между изменениями магнитного поля и возникновением электродвижущей силы. Свою главную задачу Максвелл усматривал в том, чтобы привести электрические явления к области динамики. Он исходил из того, что электрический ток нельзя рассматривать иначе как действия не расположения. а распространения протекающие во времени. Причина электрических токов была им названа электродвижущей силой.
Марио Льоцци
ОПЫТ ЭРСТЕДА
Возможное существование тесной связи между электричеством и магнетизмом предполагали уже самые первые исследователи, пораженные аналогией электростатических и магнитостатических явлений притяжения и отталкивания. Это представление было настолько распространено, что сначала Кардан, а затем и Гильберт считали его предрассудком и всячески старались доказать различие этих двух явлений. Но это предположение снова возникло в XVIII веке уже с большим основанием, когда было установлено намагничивающее действие молнии, а Франклину и Беккариа удалось добиться намагничивания с помощью разряда лейденской банки. Законы Кулона, формально одинаковые для электростатических и магнитостатических явлений, вновь выдвинули эту проблему.
После того как благодаря батарее Вольта появилась возможность получать электрический ток в течение долгого времени, попытки обнаружить связь между электрическими и магнитными явлениями стали более частыми и более интенсивными. И все же, несмотря на интенсивные поиски, открытие заставило себя ждать целых двадцать лет. Причины такой задержки следует искать в научных представлениях, господствовавших в те времена. Все силы понимались только в ньютоновском смысле, т. е. как силы, которые действуют между материальными частицами по соединяющей их прямой. Поэтому исследователи старались обнаружить силы именно этого рода, создавая приспособления, с помощью которых они надеялись обнаружить предполагаемое притяжение или отталкивание между магнитным полюсом и электрическим током (или, выражаясь более общим образом, между "гальваническим флюидом" и магнитным флюидом) или же пытались намагнитить стальную иглу, направляя по ней ток.
Взаимодействие между гальваническим и магнитным флюидом пытался обнаружить и Джан Доменико Романьози (1761-1835) в опытах, описанных им в статье 1802 г., на которую Гульельмо Либри (1803-1869), Пьетро Конфильякки (1777-1844) и многие другие ссылались потом, приписывая Романьози приоритет этого открытия. Достаточно, однако, прочесть эту статью, чтобы убедиться, что в опытах Романьози, проводившихся с батареей с незамкнутой цепью и магнитной иглой, вообще нет электрического тока, и поэтому самое большее, что он мог наблюдать,- это обычное электростатическое действие.
Когда 21 июля 1820 г. в одной очень лаконичной статье на четырех страничках (на латинском языке), озаглавленной "Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam" датский физик Ганс Христиан Эрстед (1777-1851) описал фундаментальный опыт по электромагнетизму, доказывающий, что ток в прямолинейном проводнике, идущем вдоль меридиана, отклоняет магнитную иглу от направления меридиана, интерес и удивление ученых были велики не только потому, что было получено столь, долго разыскивавшееся разрешение проблемы, но и потому, что новый опыт, как сразу же стало ясно, указывал на силу неньютоновского типа. В самом деле, из опыта Эрстеда ясно было видно, что сила, действующая между магнитным полюсом и элементом тока, направлена не по соединяющей их прямой, а по нормали к этой прямой, т. е. она, как тогда говорили, является "силой поворачивающей". Значение этого факта чувствовалось, уже тогда, хотя полностью оно было осознано лишь много лет спустя. Опыт Эрстеда вызвал первую трещину в ньютоновской модели мира.
О том затруднении, в которое попала наука, можно судить, например, по замешательству, в котором находились итальянские, французские, английские и немецкие переводчики, переводившие на родной язык латинскую статью Эрстеда. Часто, сделав буквальный перевод, представлявшийся им неясным, они приводили в примечании латинский оригинал.
Действительно неясным в статье Эрстеда еще и сегодня остается объяснение, которое он пытается дать наблюдавшимся им явлениям, обусловленным, по его мнению, двумя противоположно направленными спиральными движениями вокруг проводника "электрической материи, соответственно положительной и отрицательной".
Исключительность явления, открытого Эрстедом, сразу же привлекла к нему большое внимание экспериментаторов и теоретиков. Араго, вернувшись из Женевы, где он присутствовал при аналогичных опытах, повторенных Де ла Ривом, рассказал о них в Париже, а в сентябре того же 1820 г. собрал свою известную установку с вертикальным проводником тока, проходящим сквозь горизонтально расположенный кусок картона, посыпанный железными опилками. Но окружностей из железных опилок, которые мы обычно замечаем при проведении этого опыта, он не обнаружил. Экспериментаторы видят ясно эти окружности с тех пор, как Фарадей выдвинул теорию "магнитных кривых", или "силовых линий". Действительно, нередко, чтобы увидеть что-то, нужно очень желать этого! Араго же видел только, что проводник, по его выражению, "облепливается железными опилками так, как если б это был магнить", из чего он сделал заключение, что "ток вызывает магнетизм в железе, которое не подвергалось предварительному намагничиванию".
Все в том же 1820 г. Био зачитал два доклада (30 октября и 18 декабря), в которых сообщал о результатах проведенного им вместе с Саваром экспериментального исследования. Пытаясь открыть закон, определяющий зависимость величины электромагнитной силы от расстояния, Био решил воспользоваться методом колебаний, которым раньше пользовался уже Кулон. Для этого он собрал установку, состоящую из толстого вертикального проводника, расположенного рядом с магнитной стрелкой: при включении тока в проводнике стрелка начинает колебаться с периодом, зависящим от электромагнитной силы, действующей на полюса при различных расстояниях от центра стрелки до проводника с током. Измерив эти расстояния, Био и Савар вывели носящий теперь их имя хорошо известный закон, который в своей первой формулировке не учитывал интенсивности тока (ее тогда не умели еще измерять).
Узнав о результатах опытов Био и Савара, Лаплас заметил, что действие тока можно рассматривать как результат отдельных действий на полюса стрелки бесконечного числа бесконечно малых элементов, на которые можно разделить ток, и заключил из этого, что каждый элемент тока действует на каждый полюс с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния этого элемента от полюса. О том, что Лаплас принял участие в обсуждении этой проблемы, говорится у Био в его работе "Precis elementaire de physique ехрёrimentale" (2-е изд., II, Париж, 1821, стр. 122). В сочинениях же Лапласа, насколько нам известно, нет никакого намека на такое замечание, из чего можно заключить, что он, видимо, высказал это в устной дружеской беседе с самим Био.
Чтобы пополнить свои сведения об этой элементарной силе, Био попытался, на этот раз один, определить опытным путем, изменяется ли и если изменяется, то каким образом действие элемента тока на полюс с изменением угла, образуемого направлением тока и прямой, соединяющей середину элемента с полюсом. Опыт состоял в сравнении того, какое действие оказывает на одну и ту же стрелку параллельный ей ток и ток, направленный под углом. Из данных опыта Био путем расчета, которого он не опубликовал, но который, безусловно, был ошибочным, как это показал в 1823 г. Ф. Савари (1797-1841), определил, что эта сила пропорциональна синусу угла, образуемого направлением тока и прямой, соединяющей рассматриваемую точку с серединой элемента тока. Таким образом, то, что сейчас называют "первым элементарным законом Лапласа", в значительной мере является открытием Био.
ГАЛЬВАНОМЕТР
Упомянутый уже нами опыт Араго, объяснявшийся многими физиками того времени тем, что провод, по которому проходит ток, намагничивается, был сразу правильно понят Ампером, тотчас же предсказавшим, а затем вскоре и подтвердившим экспериментально, что стальной брусок, помещенный внутри спирали, по которой проходит ток, приобретает постоянную намагниченность. Таким образом, был найден новый метод намагничивания, гораздо более эффективный, простой и удобный, нежели прежние. Но самое главное, этим был дан толчок для создания простого, но очень ценного приспособления - электромагнита, который используется в многочисленных научных и технических приборах. Первый подковообразный электромагнит сделал в 1825 г. американец Уильям Стерджен (1783- 1850); этот электромагнит немало удивил исследователей быстротой намагничивания и размагничивания бруска мягкого железа при включении или выключении тока в проводнике, которым был обмотан брусок. Конструкцию Стерджена улучшили одновременно и независимо друг от друга в 1831 г. Молль (1785-1838) и американец Джозеф Генри (1797-1878).
За первой, написанной на латинском языке статьей Эрстеда последовала вторая, написанная по-немецки, которая тем не менее осталась малоизвестной. В ней Эрстед показал взаимность открытого им электромагнитного явления. Он подвешивал к проволоке маленькую батарейку, замыкал цепь и регистрировал ее вращение при приближении к ней магнита. То же самое, независимо от Эрстеда, обнаружил и Ампер, которому обычно это открытие и приписывается. Еще проще продемонстрировал действие магнита на подвижный элемент тока Дэви, приблизив по совету Араго полюс магнита к электрической дуге. Стерджен видоизменил опыт Дэви и придал своему эксперименту тот вид, в каком и сегодня он демонстрируется на уроках физики, когда дуга непрерывно вращается в магнитном поле.
Но первым физиком, которому удалось получить вращение проводника с током в магнитном поле, был Фарадей. В 1821 г. он сконструировал очень простое приспособление: конец подвешенного проводника был опущен в резервуар с ртутью, в который снизу входил слегка выступающий над поверхностью ртути вертикальный магнит. При пропускании тока через ртуть и проводник последний начинал вращаться вокруг магнита. Опыт Фарадея, блестяще модифицированный Ампером, бесчисленными способами варьировался затем на протяжении всего XIX века. Здесь мы укажем лишь на описанное в 1823 г. "колесо Барлоу", потому что оно представляет собой разновидность электрического мотора, который вполне может служить еще и сегодня педагогам для учебных целей. Это металлическое колесо с горизонтальной осью, край которого погружен в ванночку с ртутью и находится между полюсами подковообразного железного магнита. Если от оси колеса, к его периферии и далее через ртуть течет ток, колесо вращается.
Правила Эрстеда об отклонении магнитной стрелки и соответствующее правило Ампера указывали на то, что отклонение возрастает, если тот же ток пропускать и над магнитной стрелкой и под ней. Это явление, предсказанное Лапласом и хорошо изученное Ампером, было использовано в 1820 г. Иоганном Швейггером (1779-1857) при конструировании мультипликатора, представлявшего собой прямоугольную рамку, обмотанную несколько раз проводом, по которому протекал ток. В середине рамки помещалась магнитная стрелка. Почти одновременно Авогадро и Микелотти построили другой тип мультипликатора, несомненно, гораздо менее удачный, чем швейггеровский; описание его опубликовано в 1823 г. Однако в мультипликаторе Авогадро и Микелотти имелось одно новшество: магнитная стрелка, подвешенная на нити, вращалась над разграфленным сектором, а весь аппарат помещался под стеклянным колпаком.
Вначале казалось, что мультипликатор представляет собой предельно чувствительный гальванометр, но вскоре обнаружили, что его можно значительно улучшить. Уже в 1821 г. Ампер сконструировал "астатический аппарат", как он его назвал, подобный тому, который применял Вассалли Эанди, а еще раньше, в 1797 г., Джон Тремери. Прибор состоял из двух параллельных жестко связанных магнитных стрелок с полюсами, направленными в противоположные стороны. Вся система подвешивалась на острие, и можно было наблюдать, как она поворачивалась при пропускании электрического тока через параллельный проводник, расположенный очень близко к нижней стрелке. Таким способом Ампер доказал, что магнитная стрелка, когда она не подвержена магнитному влиянию Земли, располагается перпендикулярно току.
Леопольдо Нобили (1784-1835) пришла удачная мысль сочетать астатический аппарат Ампера с подвеской на нити, как у Авогадро и Микелотти; таким образом он пришел к своему известному астатическому гальванометру, первое описание которого он представил на заседании Моденской Академии наук 13 мая 1825 г. Чтобы дать представление о чувствительности этого инструмента, Нобили замечает, что, если соединить концы провода гальванометра железной проволокой, достаточно согреть один из стыков пальцами, чтобы стрелка отклонилась на 90°.
Гальванометр Нобили в течение нескольких десятилетий оставался самым чувствительным измерительным прибором в физических лабораториях, и мы уже видели, какую ценную помощью он оказал Меллони в его исследованиях. В 1828 г. Эрстед решил улучшить его, применив вспомогательный подковообразный магнит. Эта попытка успехом не увенчалась, но о ней все же следует упомянуть как о первом приборе с вспомогательным полем.
Эти измерительные приборы были значительно усовершенствованы лишь в 1837 г. Возможно, Пуйе и сам не знал точно теории действия своего инструмента, которая была дана в 1840 г. Вильгельмом Вебером (1804-1891). В 1837 г. А. С. Беккерель изобрел "электромагнитные весы", получившие распространение лишь во второй половине столетия. Затем появились другие типы: Гельмгольца (1849 г.), Гогэна (1853 г.), Кольрауша (1882 г.). Тем временем Поггендорф с 1826 г. ввел метод зеркального отсчета, развитый затем Гауссом (1832 г.) и примененный в зеркальном гальванометре Вебером в 1846 г.
С большим энтузиазмом был принят гальванометр, изобретенный в 1886 г. Д"Арсонвалем (1851-1940), в котором, как известно, измеряемый ток проходит через легкую подвижную катушку, помещенную в магнитном поле.
Марио Льоцци ОПЫТ ЭРСТЕДА Возможное существование тесной связи между электричеством и магнетизмом предполагали уже самые первые исследователи, пораженные аналогией электростатических и магнитостатических явлений притяжения и отталкивания. Это пр