Открытие электромагнитной индукции

Послеоткрытий Эрстеда и Ампера стало ясно, что электричество обладает магнитнойсилой. Теперь необходимо было подтвердить влияние магнитных явлений наэлектрические. Эту задачу блистательно решил Фарадей.
МайклФарадей (1791—1867) родился в Лондоне, в одной из беднейших его частей. Егоотец был кузнецом, а мать — дочерью земледельца-арендатора. Когда Фарадейдостиг школьного возраста, его отдали в начальную школу. Курс, пройденныйФарадеем здесь, был очень узок и ограничивался только обучением чтению, письмуи началам счета.
Внескольких шагах от дома, в котором жила семья Фарадеев, находилась книжнаялавка, бывшая вместе с тем и переплетным заведением. Сюда-то и попал Фарадей, закончивкурс начальной школы, когда возник вопрос о выборе профессии для него. Майклу вэто время минуло только 13 лет. Уже в юношеском возрасте, когда Фарадей толькочто начинал свое самообразование, он стремился опираться исключительно толькона факты и проверять сообщения других собственными опытами.
Этистремления доминировали в нем всю жизнь как основные черты его научной деятельностиФизические и химические опыты Фарадей стал проделывать еще мальчиком при первомже знакомстве с физикой и химией. Однажды Майкл посетил одну из лекций ГэмфриДэви, великого английского физика.
Фарадейсделал подробную запись лекции, переплел ее и отослал Дэви. Тот был настолькопоражен, что предложил Фарадею работать с ним в качестве секретаря. Вскоре Дэвиотправился в путешествие по Европе и взял с собой Фарадея. За два года онипосетили крупнейшие европейские университеты.
Вернувшисьв Лондон в 1815 году, Фарадей начал работать ассистентом в одной из лабораторийКоролевского института в Лондоне. В то время это была одна из лучших физическихлабораторий мира С 1816 по 1818 год Фарадей напечатал ряд мелких заметок инебольших мемуаров по химии. К 1818 году относится первая работа Фарадея пофизике.
Опираясьна опыты своих предшественников и скомбинировав несколько собственных опытов, ксентябрю 1821 года Майкл напечатал «Историю успехов электромагнетизма». Уже вэто время он составил вполне правильное понятие о сущности явления отклонениямагнитной стрелки под действием тока.
Добившисьэтого успеха, Фарадей на целых десять лет оставляет занятия в областиэлектричества, посвятив себя исследованию целого ряда предметов иного рода. В1823 году Фарадеем было произведено одно из важнейших открытий в области физики— он впервые добился сжижения газа, и вместе с тем установил простой, нодействительный метод обращения газов в жидкость. В 1824 году Фарадей сделалнесколько открытий в области физики.
Средипрочего он установил тот факт, что свет влияет на цвет стекла, изменяя его. Вследующем году Фарадей снова обращается от физики к химии, и результатом егоработ в этой области является открытие бензина и серно-нафталиновой кислоты.
В1831 году Фарадей опубликовал трактат «Об особого рода оптическом обмане», послужившийоснованием прекрасного и любопытного оптического снаряда, именуемого«хромотропом». В том же году вышел еще один трактат ученого «О вибрирующихпластинках». Многие из этих работ могли сами- по себе обессмертить имя ихавтора. Но наиболее важными из научных работ Фарадея являются его исследованияв области электромагнетизма и электрической индукции.
Строгоговоря, важный отдел физики, трактующий явления электромагнетизма ииндукционного электричества, и имеющий в настоящее время такое громадноезначение для техники, был создан Фарадеем из ничего.
Ктому времени, когда Фарадей окончательно посвятил себя исследованиям в областиэлектричества, было установлено, что при обыкновенных условиях достаточноприсутствия наэлектризованного тела, чтобы влияние его возбудило электричествово всяком другом теле. Вместе с тем было известно, что проволока, по которойпроходит ток и которая также представляет собою наэлектризованное тело, неоказывает никакого влияния на помещенные рядом другие проволоки.
Отчегозависело это исключение? Вот вопрос, который заинтересовал Фарадея и решениекоторого привело его к важнейшим открытиям в области индукционногоэлектричества. По своему обыкновению Фарадей начал ряд опытов, долженствовавшихвыяснить суть дела.
Наодну и ту же деревянную скалку Фарадей намотал параллельно друг другу двеизолированные проволоки. Концы одной проволоки он соединил с батареей из десятиэлементов, а концы другой — с чувствительным гальванометром. Когда был пропущенток через первую проволоку,
Фарадейобратил все свое внимание на гальванометр, ожидая заметить по колебаниям егопоявление тока и во второй проволоке. Однако ничего подобного не было:гальванометр оставался спокойным. Фарадей решил увеличить силу тока и ввел вцепь 120 гальванических элементов. Результат получился тот же. Фарадей повторилэтот опыт десятки раз и все с тем же успехом.
Всякийдругой на его месте оставил бы опыты, убежденный, что ток, проходящий черезпроволоку, не оказывает никакого действия на соседнюю проволоку. Но фарадейстарался всегда извлечь из своих опытов и наблюдений все, что они могут дать, ипотому, не получив прямого действия на проволоку, соединенную с гальванометром,стал искать побочные явления.
Сразуже он заметил, что гальванометр, оставаясь совершенно спокойным во все времяпрохождения тока, приходит в колебание при самом замыкании цепи и приразмыкании ее Оказалось, что в тот момент, когда в первую проволокупропускается ток, а также когда это пропускание прекращается, во второйпроволоке также возбуждается ток, имеющий в первом случае противоположноенаправление с первым током и одинаковое с ним во втором случае и продолжающийсявсего одно мгновение.
Этивторичные мгновенные токи, вызываемые влиянием первичных, названы были Фарадееминдуктивными, и это название сохранилось за ними доселе. Будучи мгновенными, моментальноисчезая вслед за своим появлением, индуктивные токи не имели бы никакогопрактического значения, если бы Фарадей не нашел способ при помощи остроумногоприспособления (коммутатора) беспрестанно прерывать и снова проводить первичныйток, идущий от батареи по первой проволоке, благодаря чему во второй проволокебеспрерывно возбуждаются все новые и новые индуктивные токи, становящиеся, такимобразом, постоянными. Так был найден новый источник электрической энергии, помиморанее известных (трения и химических процессов), — индукция, и новый вид этойэнергии — индукционное электричество.
Продолжаясвои опыты, Фарадей открыл далее, что достаточно простого приближения проволоки,закрученной в замкнутую кривую, к другой, по которой идет гальванический ток, чтобыв нейтральной проволоке возбудить индуктивный ток направления, обратногогальваническому току, что удаление нейтральной проволоки снова возбуждает в нейиндуктивный ток уже одинакового направления с гальваническим, идущим понеподвижной проволоке, и что, наконец, эти индуктивные токи возбуждаются тольково время приближения и удаления проволоки к проводнику гальванического тока, абез этого движения токи не возбуждаются, как бы близко друг к другу проволокини находились.
Такимобразом, было открыто новое явление, аналогичное вышеописанному явлениюиндукции при замыкании и прекращении гальванического тока. Эти открытия вызвалив свою очередь новые. Если можно вызвать индуктивный ток замыканием ипрекращением гальванического тока, то не получится ли тот же результат отнамагничивания и размагничивания железа?
РаботыЭрстеда и Ампера установили уже родство магнетизма и электричества. Было известно,что железо делается магнитом, когда вокруг него обмотана изолированнаяпроволока и по последней проходит гальванический ток, и что магнитные свойстваэтого железа прекращаются, как только прекращается ток.
Исходяиз этого, Фарадей придумал такого рода опыт: вокруг железного кольца былиобмотаны две изолированные проволоки; причем одна проволока была обмотанавокруг одной половины кольца, а другая — вокруг другой. Через одну проволокупропускался ток от гальванической батареи, а концы другой были соединены сгальванометром. И вот, когда ток замыкался или прекращался и когда, следовательно,железное кольцо намагничивалось или размагничивалось, стрелка гальванометрабыстро колебалась и затем быстро останавливалась, то есть в нейтральнойпроволоке возбуждались все те же мгновенные индуктивные токи — на этот раз: ужепод влиянием магнетизма.
Такимобразом, здесь впервые магнетизмбыл превращен в электричество. Получив этирезультаты, Фарадей решил разнообразить свои опыты. Вместо железного кольца онстал употреблять железную полосу. Вместо возбуждения в железе магнетизмагальваническим током он намагничивал железо прикосновением его к постоянномустальному магниту. Результат получался тот же: в проволоке, обматывавшей железо,всегда! возбуждался ток в момент намагничивания и размагничивания железа.
ЗатемФарадей вносил в проволочную спираль стальной магнит — приближение и удалениепоследнего вызывало в проволоке индукционные токи. Словом, магнетизм, в смыслевозбуждения индукционных, токов, действовал совершенно так же, как игальванический ток.
Вто время физиков усиленно занимало одно загадочное явление, открытое в 1824году Араго и не находившее объяснения, несмотря на; то, что этого объясненияусиленно искали такие выдающиеся ученые того времени, как сам Араго, Ампер, Пуассон,Бабэдж и Гершель.
Делосостояло в следующем. Магнитная стрелка, свободно висящая, быстро приходит всостояние покоя, если под нее подвести круг из немагнитного металла; если затемкруг привести во вращательное движение, магнитная стрелка начинает двигаться заним.
Вспокойном состоянии нельзя было открыть ни малейшего притяжения илиотталкивания между кругом и стрелкой, между тем как тот же круг, находившийся вдвижении, тянул за собою не только легкую стрелку, но и тяжелый магнит. Этопоистине чудесное явление казалось ученым того времени таинственной загадкой, чем-товыходящим за пределы естественного.
Фарадей,исходя из своих вышеизложенных данных, сделал предположение, что кружокнемагнитного металла, под влиянием магнита, во время вращения обегаетсяиндуктивными токами, которые оказывают воздействие на магнитную стрелку ивлекут ее за магнитом.
Идействительно, введя край кружка между полюсами большого подковообразногомагнита и соединив проволокою центр и край кружка с гальванометром, Фарадейполучил при вращении кружка постоянный электрический ток.
Вследза тем Фарадей остановился на другом вызывавшем тогда общее любопытствоявлении. Как известно, если посыпать на магнит железных опилок, онигруппируются по определенным линиям, называемым магнитными кривыми. Фарадей, обративвнимание на это явление, дал основы в 1831 году магнитным кривым название«линий магнитной силы», вошедшее затем во всеобщее употребление.
Изучениеэтих «линий» привело Фарадея к новому открытию, оказалось, что для возбужденияиндуктивных токов приближение и удаление источника от магнитного полюсанеобязательны. Для возбуждения токов достаточно пересечь известным образомлинии магнитной силы.
Дальнейшиеработы Фарадея в упомянутом направлении приобретали, с современной ему точкизрения, характер чего-то совершенно чудесного. В начале 1832 года ондемонстрировал прибор, в котором возбуждались индуктивные токи без помощимагнита или гальванического тока.
Приборсостоял из железной полосы, помещенной в проволочной катушке. Прибор этот приобыкновенных условиях не давал ни малейшего признака появления в нем токов; нолишь только ему давалось направление, соответствующее направлению магнитнойстрелки, в проволоке возбуждался ток.
ЗатемФарадей давал положение магнитной стрелки одной катушке и потом вводил в неежелезную полосу: ток снова возбуждался. Причиною, вызывавшею в этих случаях ток,был земной магнетизм, вызывавший индуктивные токи подобно обыкновенному магнитуили гальваническому току. Чтобы нагляднее показать и доказать это, Фарадейпредпринял еще один опыт, вполне подтвердивший его соображения.
Онрассуждал, что если круг из немагнитного металла, например, из меди, вращаясь вположении, при котором он пересекает линии магнитной силы соседнего магнита, даетиндуктивный ток, то тот же круг, вращаясь в отсутствие магнита, но в положении,при котором круг будет пересекать линии земного магнетизма, тоже должен датьиндуктивный ток.
Идействительно, медный круг, вращаемый в горизонтальной плоскости, далиндуктивный ток, производивший заметное отклонение стрелки гальванометра. Рядисследований в области электрической индукции Фарадей закончил открытием, сделаннымв 1835 году, «индуктирующего влияния тока на самого себя».
Онвыяснил, что при замыкании или размыкании гальванического тока в самойпроволоке, служащей проводником для этого тока, возбуждаются моментальныеиндуктивные токи.
Русскийфизик Эмиль Христофорович Ленц (1804—1861) дал правило для определениянаправления индукционного тока. «Индукционный ток всегда направлен так, чтосоздаваемое им магнитное поле затрудняет или тормозит вызывающее индукциюдвижение, — отмечает А.А. Коробко-Стефанов в своей статье об электромагнитнойиндукции. — Например, при приближении катушки к магниту возникающий индукционныйток имеет такое направление, что созданное им магнитное поле будетпротивоположно магнитному полю магнита. В результате между катушкой и магнитомвозникают силы отталкивания.
ПравилоЛенца вытекает из закона сохранения и превращения энергии. Если бы индукционныетоки ускоряли вызывающее их движение, то создавалась бы работа из ничего.Катушка сама собой после небольшого толчка устремлялась бы навстречу магниту, иодновременно индукционный ток выделял бы в ней теплоту. В действительности жеиндукционный ток создается за счет работы по сближению магнита и катушки.
Почемувозникает индукционный ток? Глубокое объяснение явления электромагнитнойиндукции дал английский физик Джемс Клерк Максвелл — творец законченнойматематической теории электромагнитного поля.
Чтобылучше понять суть дела, рассмотрим очень простой опыт. Пусть катушка состоит изодного витка проволоки и пронизывается переменным магнитным полем, перпендикулярнымк плоскости витка. В катушке, естественно, возникает индукционный ток. Исключительносмело и неожиданно истолковал этот эксперимент Максвелл.
Приизменении магнитного поля в пространстве, по мысли Максвелла, возникает процесс,для которого присутствие проволочного витка не имеет никакого значения. Главноездесь — возникновение замкнутых кольцевых линий электрического поля, охватывающихизменяющееся магнитное поле. Под действием возникающего электрического поляприходят в движение электроны, и в витке возникает электрический ток. Виток —это просто прибор, позволяющий обнаружить электрическое поле.
Сущностьже явления электромагнитной индукции в том, что переменное магнитное полевсегда порождает в окружающем пространстве электрическое поле с замкнутымисиловыми линиями. Такое поле называется вихревым».
Изысканияв области индукции, производимой земным магнетизмом, дали Фарадею возможностьвысказать еще в 1832 году идею телеграфа, которая затем и легла в основу этогоизобретения. А вообще открытие электромагнитной индукции недаром относят кнаиболее выдающимся открытиям XIX века — на этом явлении основана работамиллионов электродвигателей и генераторов электрического тока во всем мире…
Список литературы
Источникинформации: Самин Д. К. «Сто великих научных открытий»., М.:«Вече», 2002 г.
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.electrolibrary.info