Прежде, чем ответить на вопрос о том, кто открыл явление электромагнитной индукции, рассмотрим какая ситуация сложилась в то время в научном мире в соответствующей области знаний. Открытие в 1820 г. Х.К. Эрстедом магнитного поля вокруг проволоки с током вызвало широкий резонанс в научных кругах. Было проведено много экспериментов в области электричества. Идею электромагнитного вращения около проводника с током предложил Волластон. М. Фарадей к этой идее пришел сам и создал первую модель электродвигателя в 1821 г. Ученый обеспечил действие тока на один полюс магнита, при помощи ртутного контакта реализовал непрерывное вращение магнита вокруг проводника с током. Именно тогда М. Фарадей в своем дневнике сформулировал следующую задачу: превратить магнетизм в электричество. На решение данной задачи ушло почти десять лет. Только в ноябре 1831 М. Фарадей начал системно публиковать результаты своих исследований на эту тему. Классическими опытами Фарадея по обнаружению явления электромагнитной индукции стали:
Первый опыт
:
Берется гальванометр, который замкнут на соленоид. В соленоид вдвигают или выдвигают постоянный магнит. При движении магнита наблюдают отклонение стрелки гальванометра, который показывает появление тока индукции. При этом, чем выше скорость движения магнита относительно катушки, тем больше отклонение стрелки. Если полюса магнита поменять, то изменится направление отклонения стрелки гальванометра. Надо сказать, что в разновидности данного опыта магнит можно сделать неподвижным и передвигать соленоид относительно магнита.
Второй опыт:
Имеются две катушки. Одна вставлена в другую. Концы одной катушки присоединяются к гальванометру. Через другую катушку пропускают электрический ток. Стрелка гальванометра отклоняется в моменты включения (выключения) тока, его изменения (увеличения или уменьшения) или при движении катушек по отношению друг к другу. При этом направление отклонения стрелки гальванометра противоположны при включении и выключении тока (уменьшении — увеличении).
Проведя обобщение своих экспериментов, М. Фарадей сделал вывод о том, что ток индукции появляется всегда, когда поток магнитной индукции, сцепленный с контуром, изменяется. Кроме того, было получено, что величина тока индукции не зависит от способа, каким происходит изменение магнитного потока, а определена скоростью его изменения. В своих экспериментах М. Фарадей показывал, что угол отклонения стрелки гальванометра зависит от скорости движения магнита (или скорости изменения силы тока, или скорости движения катушек). И так, результаты экспериментов Фарадея в этой области можно свести к следующему:
Электродвижущая сила индукции появляется при изменении магнитного потока (см. подробнее страничку « »).
Установленную М. Фарадеем связь между электричеством и магнетизмом Максвелл записал в математическом виде. В настоящее время эту запись мы знаем как закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) (стр.« »).
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.
ФАРАДЕЙ. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимодействии сил природы, Фарадей пытался доказать, что точно так же, как с помощью электричества Ампер мог создавать магниты, так же и с помощью магнитов можно создавать электричество.
Логика его была проста: механическая работа легко переходит в тепло; наоборот, тепло можно преобразовать в механическую работу (скажем, в паровой машине). Вообще, среди сил природы чаще всего случается следующее соотношение: если А рождает Б, то и Б рождает А.
Если с помощью электричества Ампер получал магниты, то, по-видимому, возможно «получить электричество из обычного магнетизма». Такую же задачу поставили перед собой Араго и Ампер в Париже, Колладон - в Женеве.
Фарадей ставит множество опытов, ведет педантичные записи. Каждому небольшому исследованию он посвящает параграф в лабораторных записях (изданы в Лондоне полностью в 1931 году под названием «Дневник Фарадея»). О работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф «Дневника» помечен номером 16041. Блестящее мастерство Фарадея-экспериментатора, одержимость, четкая философская позиция не могли не быте вознаграждены, но ожидать результата пришлось долгих одиннадцать лет.
Кроме интуитивной убежденности во всеобщей связи явлений, его, собственно, в поисках «электричества из магнетизма» ничто не поддерживало. К тому же он, как его учитель Дэви, больше полагался на свои опыты, чем на мысленные построения. Дэви учил его:
Хороший эксперимент имеет больше ценности, чем глубокомыслие такого гения, как Ньютон.
И тем не менее именно Фарадею суждены были великие открытия. Великий реалист, он стихийно рвал путы эмпирики, некогда навязанные ему Дэви, и в эти минуты его осеняло великое прозрение - он приобретал способность к глубочайшим обобщениям.
Первый проблеск удачи появился лишь 29 августа 1831 года. В этот день Фарадей испытывал в лаборатории несложное устройство: железное кольцо диаметром около шести дюймов, обмотанное двумя кусками изолированной проволоки. Когда Фарадей подключил к зажимам одной обмотки батарею, его ассистент, артиллерийский сержант Андерсен, увидел, как дернулась стрелка гальванометра, подсоединенного к другой обмотке.
Дернулась и успокоилась, хотя постоянный ток продолжал течь по первой обмотке. Фарадей тщательно просмотрел все детали этой простой установки - все было в порядке.
Но стрелка гальванометра упорно стояла на нуле. С досады Фарадей решил выключить ток, и тут случилось чудо - во время размыкания цепи стрелка гальванометра опять качнулась и опять застыла на нуле!
Фарадей был в недоумении: во-первых, почему стрелка ведет себя так странно? Во-вторых, имеют ли отношение замеченные им всплески к явлению, которое он искал?
Вот тут-то и открылись Фарадею во всей ясности великие идеи Ампера - связь между электрическим током и магнетизмом. Ведь первая обмотка, в которую он подавал ток, сразу становилась магнитом. Если рассматривать ее как магнит, то эксперимент 29 августа показал, что магнетизм как будто бы рождает электричество. Только две вещи оставались в этом случае странными: почему всплеск электричества при включении электромагнита стал быстро сходить на нет? И более того, почему всплеск появляется при выключении магнита?
На следующий день, 30 августа, - новая серия экспериментов. Эффект ясно выражен, но тем не менее абсолютно непонятен.
Фарадей чувствует, что открытие где-то рядом.
«Я теперь опять занимаюсь электромагнетизмом и думаю, что напал на удачную вещь, но не могу еще утверждать это. Очень может быть, что после всех моих трудов я в конце концов вытащу водоросли вместо рыбы».
К следующему утру, 24 сентября, Фарадей подготовил много различных устройств, в которых основными элементами были уже не обмотки с электрическим током, а постоянные магниты. И эффект тоже существовал! Стрелка отклонялась и сразу же устремлялась на место. Это легкое движение происходило при самых неожиданных манипуляциях с магнитом, иной раз, казалось, случайно.
Следующий эксперимент - 1 октября. Фарадей решает вернуться к самому началу - к двум обмоткам: одной с током, другой - подсоединенной к гальванометру. Различие с первым экспериментом - отсутствие стального кольца - сердечника. Всплеск почти незаметен. Результат тривиален. Ясно, что магнит без сердечника гораздо слабее магнита с сердечником. Поэтому и эффект выражен слабее.
Фарадей разочарован. Две недели он не подходит к приборам, размышляя о причинах неудачи.
Фарадей заранее знает, как это будет. Опыт удается блестяще.
«Я взял цилиндрический магнитный брусок (3/4 дюйма в диаметре и 8 1/4 дюйма длиной) и ввел один его конец внутрь спирали из медной проволоки (220 футов длиной), соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался».
Секрет - в движении магнита! Импульс электричества определяется не положением магнита, а движением!
Это значит, что «электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».
Эта идея необыкновенно плодотворна. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, и движение проводника относительно магнита должно рождать электричество! Причем эта «электрическая волна» не исчезнет до тех пор, пока будет продолжаться взаимное перемещение проводника и магнита. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, действующий сколь угодно долго, лишь бы продолжалось взаимное движение проволоки и магнита!
28 октября Фарадей установил между полюсами подковообразного магнита вращающийся медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой - на периферии диска) можно было снимать электрическое напряжение. Это был первый электрический генератор, созданный руками человека.
После «электромагнитной эпопеи» Фарадей был вынужден прекратить на несколько лет свою научную работу - настолько была истощена его нервная система...
Опыты, аналогичные фарадеевским, как уже говорилось, проводились во Франции и в Швейцарии. Профессор Женевской академии Колладон был искушенным экспериментатором (он, например, произвел на Женевском озере точные измерения скорости звука в воде). Может быть, опасаясь сотрясения приборов, он, как и Фарадей, по возможности удалил гальванометр от остальной установки. Многие утверждали, что Колладон наблюдал те же мимолетные движения стрелки, что и Фарадей, но, ожидая более стабильного, продолжительного эффекта, не придал этим «случайным» всплескам должного значения...
Действительно, мнение большинства ученых того времени сводилось к тому, что обратный эффект «создания электричества из магнетизма» должен, по-видимому, иметь столь же стационарный характер, как и «прямой» эффект - «образование магнетизма» за счет электрического тока. Неожиданная «мимолетность» этого эффекта сбила с толку многих, в том числе Колладона, и эти многие поплатились за свою предубежденность.
Фарадея тоже поначалу смущала мимолетность эффекта, но он больше доверял фактам, чем теориям, и в конце концов пришел к закону электромагнитной индукции. Этот закон казался тогда физикам ущербным, уродливым, странным, лишенным внутренней логики.
Почему ток возбуждается только во время движения магнита или изменения тока в обмотке?
Этого не понимал никто. Даже сам Фарадей. Понял это через семнадцать лет двадцатишестилетний армейский хирург захолустного гарнизона в Потсдаме Герман Гельмгольц. В классической статье «О сохранении силы» он, формулируя свой закон сохранения энергии, впервые доказал, что электромагнитная индукция должна существовать именно в этом «уродливом» виде.
Независимо к этому пришел и старший друг Максвелла, Вильям Томсон. Он тоже получил электромагнитную индукцию Фарадея из закона Ампера при учете закона сохранения энергии.
Так «мимолетная» электромагнитная индукция приобрела права гражданства и была признана физиками.
Но она никак не укладывалась в понятия и аналогии статьи Максвелла «О фарадеевских силовых линиях». И это было серьезным недостатком статьи. Практически ее значение сводилось к иллюстрации того, что теории близко- и дальнодействия представляют различное математическое описание одних и тех же экспериментальных данных, что силовые линии Фарадея не противоречат здравому смыслу. И это все. Все, хотя это было уже очень много.
Из книги Максвелл автора Карцев Владимир ПетровичК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ТЕОРИИ СВЕТА Статья «О физических силовых линиях» выходила по частям. И третья часть ее, как и обе предыдущие, содержала новые идеи чрезвычайной ценности.Максвелл писал: «Необходимо предположить, что вещество ячеек обладает эластичностью формы,
Из книги Вернер фон Сименс - биография автора Вейхер Зигфрид фонТрансатлантический кабель. Кабельное судно “Фарадей" Очевидный успех индоевропейской линии как в техническом, так и в финансовом отношении должен был воодушевить ее создателей на дальнейшие начинания. Случай начать новое дело представился, и вдохновителем оказался
Из книги Великая Теорема Ферма автора Сингх СаймонПриложение 10. Пример доказательства по индукции В математике важно иметь точные формулы, позволяющие вычислять сумму различных последовательностей чисел. В данном случае мы хотим вывести формулу, дающую сумму первых n натуральных чисел.Например, «сумма» всего лишь
Из книги Фарадей автора Радовский Моисей Израилевич Из книги Роберт Вильямс Вуд. Современный чародей физической лаборатории автора Сибрук Вильям Из книги Шелест гранаты автора Прищепенко Александр БорисовичГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ Вуд растягивает свой отпускной год на три, стоит на том месте, где когда-то стоял Фарадей, и пересекает нашу планету вдоль и поперек Обыкновенный университетский профессор счастлив, если ему удается получить свободный год раз в семь лет. Но Вуд не
Из книги Курчатов автора Асташенков Петр Тимофеевич Из книги Путешествие вокруг света автора Форстер ГеоргВот оно, открытие! Крепкий орешек Академика Иоффе и его сотрудников давно уже заинтересовало необычное поведение в электрическом поле кристаллов сегнетовой соли (двойная натрикалиевая соль виннокаменной кислоты). Исследовалась эта соль пока мало, и было только
Из книги Зодиак автора Грейсмит Роберт Из книги 50 гениев, которые изменили мир автора Очкурова Оксана Юрьевна1 ДЭВИД ФАРАДЕЙ И БЕТТИ ЛУ ДЖЕНСЕН Пятница, 20 декабря 1968 годаДэвид Фарадей неторопливо вел машину между пологих холмов Вальехо, не обращая особого внимания на мост «Золотые ворота», на яхты и глиссеры, мелькавшие в бухте Сан-Пабло, на четкие силуэты портовых кранов и
Из книги Неостывшая память [сборник] автора Друян Борис ГригорьевичФарадей Майкл (род. в 1791 г. – ум. в 1867 г.) Выдающийся английский ученый, физик и химик, основоположник учения об электромагнитном поле, открывший электромагнитную индукцию – явление, которое легло в основу электротехники, а также законы электролиза, названные его
Из книги Фрэнсис Бэкон автора Субботин Александр ЛеонидовичОткрытие В один из пасмурных осенних дней 1965 года в редакции художественной литературы Лениздата появился молодой человек с тощей канцелярской папкой в руке. Можно было со стопроцентной вероятностью догадаться, что в ней – стихи. Он был явно смущен и, не зная к кому
Из книги Танцующая в Аушвице автора Гласер Паул Из книги Великие химики. В 2-х томах. Т. I. автора Манолов КалоянОткрытие Один из моих коллег родом из Австрии. Мы с ним дружим, и однажды вечером за разговором он замечает, что фамилия Гласер была весьма распространена в довоенной Вене. Мой отец как-то рассказывал, вспоминаю я, что наши далекие предки жили в немецкоговорящей части
Из книги Ницше. Для тех, кто хочет все успеть. Афоризмы, метафоры, цитаты автора Сирота Э. Л.МАЙКЛ ФАРАДЕЙ (1791–1867) Воздух в переплетной мастерской был пропитан запахом столярного клея. Расположившись среди груды книг, рабочие весело переговаривались и усердно сшивали печатные листы. Майкл клеил толстый том Британской энциклопедии. Он мечтал прочитать ее
Из книги автораОткрытие юга Осенью 1881 года Ницше попал под обаяние творчества Жоржа Бизе – его «Кармен» в Генуе он слушал около двадцати раз! Жорж Бизе (1838–1875) – знаменитый французский композитор-романтистВесна 1882 года – новое путешествие: из Генуи на корабле в Мессину, о которой чуть
Новый период в развитии физической науки начинается с гениального открытия Фарадеем электромагнитной индукции. Именно в этом открытии ярко проявилась способность науки обогащать технику новыми идеями. Уже сам Фарадей предвидел на основе своего открытия существование электромагнитных волн. 12 марта 1832 г. он запечатал конверт с надписью "Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в запечатанном конверте в архивах Королевского общества". Этот конверт был вскрыт в 1938 г. Оказалось, что Фарадей вполне ясно представлял, что индукционные действия распространяются с конечной скоростью волновым способом. "Я считаю возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции",- писал Фарадей. При этом он указывал, что "на распространение магнитного воздействия требуется время, т. е. при воздействии 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 колебание взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха".
Фарадей понимал всю важность своей идеи и, не имея возможности проверить ее экспериментально, решил с помощью этого конверта "закрепить открытие за собой и, таким образом, иметь право, в случае экспериментального подтверждения, объявить эту дату датой своего открытия". Итак, 12 марта 1832 г. человечество впервые пришло к идее существования электромагнитных волн. С этой даты начинается история открытия радио.
Но открытие Фарадея имело важное значение не только в истории техники. Оно оказало огромное влияние и на развитие научного миропонимания. С этого открытия в физику входит новый объект - физическое поле. Таким образом, открытие Фарадея принадлежит к тем фундаментальным научным открытиям, которые оставляют заметный след во всей истории человеческой культуры.
Сын лондонского кузнеца переплетчик родился в Лондоне 22 сентября 1791 г. Гениальный самоучка не имел возможности даже закончить начальную школу и проложил путь в науку сам. Во время учения переплетному делу он читал книги, в особенности по химии, сам проделывал химические опыты. Слушая публичные лекции знаменитого химика Дэви, он окончательно убедился в том, что его призвание - наука, и обратился к нему с просьбой принять на работу в Королевский институт. С 1813 г., когда Фарадей был принят в институт лаборантом, и до самой смерти (25 августа 1867 г.) он жил наукой. Уже в 1821 г., когда Фарадей получил электромагнитное вращение, он поставил своей целью "превратить магнетизм в электричество". Десять лет поисков и напряженного труда увенчались открытием 29 августа 1871 г. электромагнитной индукции.
"Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; другие двести три фута такой же проволоки были изолированы в виде спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт был устранен посредством шнурка. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая - с хорошо заряженной батареей из ста пар пластин в четыре квадратных дюйма с двойными медными пластинами. При замыкании контакта наблюдалось временное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобное же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей". Так описал Фарадей свои первый опыт по индукции токов. Он назвал этот вид индукции вольта-электрической индукцией. Далее он описывает свой основной опыт с железным кольцом - прототипом современного трансформатора.
"Из круглого брускового мягкого железа было сварено кольцо; толщина металла была равна семи восьмым дюйма, а наружный диаметр кольца - шести дюймам. На одну часть этого кольца были намотаны три спирали содержащие каждая около двадцати четырех футов медной проволоки, толщиной в одну двадцатую дюйма. Спирали были изолированы от железа и друг от друга..., занимая приблизительно девять дюймов по длине кольца Ими можно было пользоваться по отдельности и в соединении; эта группа обозначена буквой А. На другую часть кольца было намотано таким же способом около шестидесяти футов такой же медной проволоки в двух кусках, которая образовывала спираль В, имевшую одинаковое направление со спиралями А, но отделенную от них на каждом конце на протяжении приблизительно полудюйма голым железом.
Спираль В соединялась медными проводами с гальванометром, помещенном на расстоянии трех футов от железа. Отдельные спирали соединялись концы с концами так, что образовывали общую спираль, концы которой соединялись с батареей из десяти пар пластин в четыре квадратных дюйма. Гальванометр реагировал немедленно, и притом значительно сильнее чем это наблюдалось, как описано выше, при пользовании в десять раз более мощной спиралью, но без железа; однако, несмотря на сохранение контакта, действие прекращалось. При размыкании контакта с батареей стрелка снова сильно отклонялась, но в направлении, противоположном тому, которое индуцировалось в первом случае".
Фарадей исследовал далее непосредственным опытом влияние железа, внося внутрь полой катушки железный стержень, в этом случае "индуцированный ток оказывал на гальванометр очень сильное действие". "Подобное действие было затем получено при помощи обыкновенных магнитов ". Фарадей назвал это действие магнитоэлектрической индукцией, полагая, что природа вольта-электрической и магнитоэлектрической индукции одинакова.
Все описанные опыты составляют содержание первого и второго разделов классического труда Фарадея "Экспериментальные исследования по электричеству", начатого 24 ноября 1831 г. В третьем разделе этой серии "О новом электрическом состоянии материи" Фарадей впервые пытается описать новые свойства тел, проявляемые в электромагнитной индукции. Он называет это обнаруженное им свойство "электротоническим состоянием". Это первый зародыш идеи поля, сформировавшейся позднее у Фарадея и впервые точно сформулированной Максвеллом. Четвертый раздел первой серии посвящен объяснению явления Араго. Фарадей правильно причисляет это явление к индукционным и пытается с помощью этого явления "получить новый источник электричества". При движении медного диска между полюсами магнита он получил ток в гальванометре при помощи скользящих контактов. Это была первая динамомашина. Фарадей резюмирует результаты своих опытов следующими словами: "Этим было показано, таким образом, что можно создать постоянный ток электричества при помощи обыкновенного магнита". Из своих опытов по индукции в движущихся проводниках Фарадей вывел зависимость между полюсностью магнита, движущимся проводником и направлением индуцированного тока, т. е. "закон, управляющий получением электричества посредством магнитоэлектрической индукции". В результате своих исследований Фарадей установил, что "способность индуцировать токи проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей или силовой оси точно так, как расположенный по окружности магнетизм возникает вокруг электрического тока и им обнаруживается" * .
* (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 57. )
Другими словами, вокруг переменного магнитного потока возникает вихревое электрическое поле, подобно тому как вокруг электрического тока возникает вихревое магнитное поле. Этот фундаментальный факт был обобщен Максвеллом в виде его двух уравнений электромагнитного поля.
Изучению явлений электромагнитной индукции, в особенности индукционного действия магнитного поля Земли, посвящена также вторая серия "Исследований", начатая 12 января 1832 г. Третью серию, начатую 10 января 1833 г., Фарадей посвящает доказательству тождества различных видов электричества: электростатического, гальванического, животного, магнитоэлектрического (т. е. получаемого посредством электромагнитной индукции). Фарадей приходит к выводу, что электричество, получаемое различными способами, качественно одинаково, разница в действиях только количественная. Этим был нанесен последний удар концепции различных "флюидов" смоляного и стеклянного электричества, гальванизма, животного электричества. Электричество оказалось единой, но полярной сущностью.
Весьма важна пятая серия "Исследований" Фарадея, начатая 18 июня 1833 г. Здесь Фарадей начинает свои исследования электролиза, приведшие его к установлению знаменитых законов, носящих его имя. Исследования эти были продолжены в седьмой серии, начатой 9 января 1834 г. В этой последней серии Фарадей предлагает новую терминологию: полюса, подводящие ток в электролит, он предлагает называть электродами, положительный электрод называть анодом, а отрицательный - катодом, частицы отлагаемого вещества, идущие к аноду он называет анионами, а частицы, идущие к катоду,- катионами . Далее, ему принадлежат термины электролит для разлагаемых веществ, ионы и электрохимические эквиваленты. Все эти термины прочно удержались в науке. Фарадей делает правильный вывод из найденных им законов, что можно говорить о каком-то абсолютном количестве электричества, связанном с атомами обычной материи. "Хотя мы ничего не знаем о том, что такое атом,- пишет Фарадей,- но мы невольно представляем себе какую-то малую частичку, которая является нашему уму, когда мы о ней думаем; правда, в таком же или в еще большем неведении мы находимся относительно электричества, мы даже не в состоянии сказать, представляет ли оно собою особую материю или материи, или же просто движение обыкновенного вещества, или еще вид какой-то силы или агента; тем не менее имеется огромное количество фактов, заставляющих нас думать, что атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами или связаны с ними и им они обязаны своими наиболее замечательными качествами, а в том числе своим химическим сродством друг к другу" * .
* (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 335. )
Таким образом, Фарадей отчетливо высказал идею "электрификации" материи, атомного строения электричества, причем атом электричества, или, как выражается Фарадей, "абсолютное количество электричества", оказывается "столь же определенным по своему действию, как любое из тех количеств, которые, оставаясь связанными с частицами материи, сообщают им их химическое сродство". Элементарный электрический заряд, как показало дальнейшее развитие физики, действительно может быть определен из законов Фарадея.
Весьма важное значение имела девятая серия "Исследований" Фарадея. В этой серии, начатой 18 декабря 1834 г., шла речь о явлениях самоиндукции, об экстратоках замыкания и размыкания. Фарадей указывает при описании этих явлений, что хотя им присущи черты инерции, однако от механической инерции явление самоиндукции отличает тот факт, что они зависят от формы проводника. Фарадей отмечает, что "экстраток тождествен с... индуцированным током" * . В результате у Фарадея сложилось представление о весьма широком значении процесса индукции. В одиннадцатой серии своих исследований, начатой 30 ноября 1837 г., он утверждает: "Индукция играет самую общую роль во всех электрических явлениях, участвуя, по-видимому, в каждом из них, и носит в действительности черты первейшего и существенного начала" ** . В частности, по мнению Фарадея, всякий процесс зарядки есть процесс индукции, смещения противоположных зарядов: "вещества не могут быть заряжены абсолютно, а только относительно, по закону, тождественному с индукцией. Всякий заряд поддерживается индукцией. Все явления напряжения включают начало индукций" *** . Смысл этих утверждений Фарадея тот, что всякое электрическое поле ("явление напряжения" - по терминологии Фарадея) обязательно сопровождается индукционным процессом в среде ("смещением" - по позднейшей терминологии Максвелла). Этот процесс определяется свойствами среды, ее "индуктивной способностью", по терминологии Фарадея, или "диэлектрической проницаемостью", по современной терминологии. Фарадей опытом со сферическим конденсатором определил диэлектрическую проницаемость ряда веществ по отношению к воздуху. Эти эксперименты укрепили Фарадея в мысли о существенной роли среды в электромагнитных процессах.
* (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 445. )
** (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 478. )
*** (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 487. )
Закон электромагнитной индукции был существенно развит русским физиком Петербургской Академии Эмилием Христиановичем Ленцем (1804-1865). 29 ноября 1833 г. Ленц доложил Академии наук свое исследование "Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией". Ленц показал, что магнитоэлектрическая индукция Фарадея теснейшим образом связана с электромагнитными силами Ампера. "Положение, посредством которого магнитоэлектрическое явление сводится к электромагнитному, заключается в следующем: 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" * .
* (Э. X. Ленц, Избранные труды, Изд. АН СССР, 1950, стр. 148-149. )
Этот принцип Ленца раскрывает энергетику индукционных процессов и сыграл важную роль в работах Гельмгольца по установлению закона сохранения энергии. Сам Ленц из своего правила вывел хорошо известный в электротехнике принцип обратимости электромагнитных машин: если вращать катушку между полюсами магнита, она генерирует ток; наоборот, если в нее послать ток, она будет вращаться. Электродвигатель можно обратить в генератор и наоборот. Изучая действие магнитоэлектрических машин, Ленц открывает в 1847 г. реакцию якоря.
В 1842-1843 гг. Ленц произвел классическое исследование "О законах выделения тепла гальваническим током" (доложено 2 декабря 1842 г., опубликовано в 1843 г.), начатое им задолго до аналогичных опытов Джоуля (сообщение Джоуля появилось в октябре 1841 г.) и продолженное им несмотря на публикацию Джоуля, "так как опыты последнего могут встретить некоторые обоснованные возражения, как это было уже показано нашим коллегой г-ном акад. Гессом" * . Ленц измеряет величину тока с помощью тангенс-буссоли - прибора, изобретенного гельсингфорским профессором Иоганном Нервандером (1805-1848), и в первой части своего сообщения исследует этот прибор. Во второй части "Выделение тепла в проволоках", доложенной 11 августа 1843 г., он приходит к своему знаменитому закону:
- "
- Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально сопротивлению проволоки.
- Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока" ** .
* (Э. X. Ленц, Избранные труды, Изд. АН СССР, 1950, стр. 361. )
** (Э. X. Ленц, Избранные труды, Изд. АН СССР, 1950, стр. 441. )
Закон Джоуля - Ленца сыграл важную роль в установлении закона сохранения энергии. Все развитие науки об электрических и магнитных явлениях подводило к идее единства сил природы, к идее сохранения этих "сил".
Почти одновременно с Фарадеем электромагнитную индукцию наблюдал американский физик Джозеф Генри (1797-1878). Генри изготовил большой электромагнит (1828), который, питаясь от гальванического элемента с малым сопротивлением, поддерживал груз в 2000 фунтов. Об этом электромагните упоминает Фарадей и указывает, что с его помощью можно при размыкании получить сильную искру.
Генри впервые (1832) наблюдал явление самоиндукции, и его приоритет отмечен наименованием единицы самоиндукции "генри".
В 1842 г. Генри установил колебательный характер разряда лейденской банки. Тонкая стеклянная игла, с помощью которой он исследовал это явление, намагничивалась с различной полярностью, тогда как направление разряда оставалось неизменным. "Разряд, какова бы ни была его природа,- заключает Генри,- не представляется (пользуясь теорией Франклина.- П. К.) единичным переносом невесомого флюида с одной обкладки на другую; обнаруженное явление заставляет нас допустить существование главного разряда в одном направлении, а затем несколько странных действий назад и вперед, каждое из которых является более слабым, чем предыдущее, продолжающееся до тех пор, пока не наступит равновесие".
Индукционные явления становятся ведущей темой в физических исследованиях. В 1845 г. немецкий физик Франц Нейман (1798-1895) дал математическое выражение закона индукции, обобщив исследования Фарадея и Ленца.
Электродвижущая сила индукции выражалась у Неймана в виде производной по времени от некоторой функции, индуцирующей ток, и взаимной конфигурации взаимодействующих токов. Эту функцию Нейман назвал электродинамическим потенциалом. Он нашел также выражение для коэффициента взаимной индукции. В своем сочинении "О сохранении силы" в 1847 г. Гельмгольц выводит неймановское выражение для закона электромагнитной индукции из энергетических соображений. В этом же сочинении Гельмгольц утверждает, что разряд конденсатора представляет собой "не... простое движение электричества в одном направлении, но... течение его то в одну, то в другую сторону между двух обкладок в виде колебаний, которые делаются все меньше и меньше, пока, наконец, вся живая сила не будет уничтожена суммою сопротивлений".
В 1853 г. Уильям Томсон (1824-1907) дал математическую теорию колебательного разряда конденсатора и установил зависимость периода колебаний от параметров колебательного контура (формула Томсона).
В 1858 г. П. Блазерна (1836-1918) снял экспериментально резонансную кривую электрических колебаний, изучая действие индуцирующего разрядкой контура, содержащего батарею конденсаторов и замыкающий проводники на побочный контур, с переменной длиной индуцируемого проводника. В том же 1858 г. Вильгельм Феддерсен (1832-1918) наблюдал искровой разряд лейденской банки во вращающемся зеркале, а в 1862 г. он сфотографировал изображение искрового разряда во вращающемся зеркале. Тем самым колебательный характер разряда был установлен с полной очевидностью. Вместе с тем экспериментально была проверена формула Томсона. Так шаг за шагом создавалось учение об электрических колебаниях, составляющее научный фундамент электротехники переменных токов и радиотехники.
Закон электромагнитной индукции – это формула, поясняющая образование ЭДС в замкнутом контуре проводника при изменениях напряжённости магнитного поля. Постулат объясняет работу трансформаторов, дросселей и прочих изделий, обеспечивающих сегодня развитие техники.
История Майкла Фарадея
Майкла Фарадея забрали из школы вместе со старшим братом, послужил поводом – дефект речи. Первооткрыватель электромагнитной индукции картавил, раздражая учительницу. Та дала денег, дабы купили палку и высекли потенциального клиента логопеда. Причём старшему брату Майкла.
Будущий светило науки был поистине любимцем судьбы. На протяжённости жизненного пути он, при должной настойчивости, находил помощь. Брат с презрением вернул монету, сообщив об инциденте матери. Семья не считалась богатой, и отец, талантливый ремесленник, с трудом сводил концы с концами. Братья рано стали искать работу: семья жила на милостыню с 1801 года, Майклу в ту пору шёл десятый год.
С тринадцати Фарадей поступает в книжную лавку разносчиком газет. Через весь город едва-едва успевает по адресам на противоположных концах Лондона. Ввиду прилежности хозяин Рибо дарует Фарадею место ученика переплётчика на семь лет бесплатно. В давнюю пору человек с улицы платил мастеру за процесс приобретения ремесла. Как и Георгу Ому умение механика, Фарадею в будущем процесс переплётного дела пригодился в полной мере. Большую роль сыграл факт, что Майкл скрупулёзно читал книги, попадающие к нему в работу.
Фарадей пишет, что одинаково охотно верил трактату миссис Марсет (Беседы о химии) и сказкам Тысячи и одной ночи. Желание стать учёным сыграло в этом деле важную роль. Фарадей избирает два направления: электричество и химию. В первом случае основным источником знаний служит Британская энциклопедия. Пытливый ум требует подтверждения написанного, юный переплётчик постоянно проверяет знания на практике. Фарадей становится опытным экспериментатором, что сыграет ведущую роль при исследовании электромагнитной индукции.
Напомним, что речь идёт об ученике без собственного дохода. Старший брат и отец посильно оказывали помощь. Начиная с химических реактивов и заканчивая сборкой электростатического генератора: для опытов нужен источник энергии. Одновременно Фарадей умудряется посещать платные лекции естествознания и скрупулёзно заносит знания в блокнот. Потом переплетает заметки, пользуясь приобретёнными навыками. Срок ученичества заканчивается в 1812 году, Фарадей начинает искать работу. Новый хозяин не столь покладист, и, несмотря на перспективу сделаться наследником дела, Майкл на пути к открытию электромагнитной индукции.
Научный путь Фарадея
В 1813 году судьба улыбается учёному, давшему миру представление об электромагнитной индукции: удаётся попасть на место секретаря к сэру Хампфри Дэви, недолгий период знакомства в будущем сыграет роль. Фарадею невыносимо исполнять долее обязанности переплётчика, он пишет письмо Джозефу Бэнксу, тогдашнему президенту Королевского научного общества. О характере деятельности организации расскажет факт: Фарадей получил место, называемое старший прислужник: помогает лекторам, вытирает пыль с оборудования, следит за транспортировкой. Джозеф Бэнкс игнорирует послание, Майкл не унывает и пишет Дэви. Ведь прочих научных организаций нет в Англии!
Дэви относится с большим вниманием, поскольку лично знаком с Майклом. Не будучи одарён от природы умением говорить – вспомним про школьный опыт – и излагать мысли письменно, Фарадей берет специальные уроки для развития необходимых навыков. Опыты тщательно систематизирует в блокноте, мысли излагает в кружке друзей и единомышленников. К моменту знакомства с сэром Хампфри Дэви достигает недюжинного мастерства, тот ходатайствует о принятии новоиспечённого учёного на вышеупомянутую должность. Фарадей рад, а изначально фигурировала идея назначить будущего гения мыть посуду…
По воле рока Майкл вынужден слушать лекции на разные темы. Помощь профессорам требовалась лишь периодически, в остальном допускалось находиться в аудитории и слушать. Учитывая, сколько стоит образование в Гарварде, это стало неплохим досугом. Через полгода блестящей работы (октябрь 1813 года) Дэви приглашает Фарадея в путешествие по Европе, война окончена, нужно оглядеться. Это стало хорошей школой первооткрывателю электромагнитной индукции.
По возвращении в Англию (1816 год), Фарадей получает звание лаборанта и публикует первую работу по исследованию известняка.
Исследования электромагнетизма
Явление электромагнитной индукции заключается в наведении ЭДС в проводнике под действием изменяющегося магнитного поля. Сегодня на этом принципе работают приборы, начиная трансформаторами и заканчивая варочными панелями. Первенство в области отдано Гансу Эрстеду, 21 апреля 1820 года заметившему действие замкнутой цепи на стрелку компаса. Подобные наблюдения публиковались в виде заметок Джованни Доменико Романьози в 1802 году.
Заслуга датского учёного в привлечении к делу многих видных учёных. Итак, замечено, что стрелка отклоняется проводником с током, и осенью упомянутого года появился на свет первый гальванометр. Измерительный прибор на ниве электричества стал большим подспорьем многим. Попутно высказывались различные точки зрения, в частности, Волластон огласил, что неплохо заставить проводник с током вращаться непрерывно под действием магнита. В 20-е годы XIX века вокруг указанного вопроса царила эйфория, до этого магнетизм и электричество считались независимыми явлениями.
Оенью 1821 года задумку воплотил в жизнь Майкл Фарадей. Утверждают, что тогда на свет появился первый электрический двигатель. 12 сентября 1821 года в письме Гаспару де ла Риву Фарадей пишет:
«Я выяснил, что притяжения и отталкивания магнитной стрелки проводом с током — детская забава. Некая сила станет вращать непрерывно магнит под действием электрического тока. Я построил теоретические выкладки и сумел реализовать на практике».
Письмо к де ла Риву не стало случайностью. По мере становления на научном поприще Фарадей обрёл немало сторонников и единственного непримиримого противника… сэра Хампфри Дэви. Экспериментальная установка объявлена плагиатом идеи Волластона. Примерная конструкция:
- Серебряная чаша заполнена ртутью. Жидкий металл обладает хорошей электропроводностью и служит подвижным контактом.
- На дне чаши находится лепёшка воска, куда одним полюсом воткнут стержневой магнит. Второй возвышается над поверхностью ртути.
- С высоты свисает провод, подключённый к источнику. Конец его погружен в ртуть. Второй провод - возле края чаши.
- Если пропускать через замкнутую цепь постоянный электрический ток, провод начинает описывать по ртути круги. Центром вращения становится постоянный магнит.
Конструкцию называют первым в мире электрическим двигателем. Но эффект электромагнитной индукции ещё не проявляется. Налицо взаимодействие двух полей, не более. Фарадей, кстати, не остановился, и сделал чашу, где провод неподвижный, а магнит двигается (образуя поверхность вращения – конус). Доказал, что нет принципиальной разницы между источниками поля. Потому индукция называется электромагнитной.
Немедленно Фарадея обвинили в плагиате и травили несколько месяцев, о чем он с горечью писал доверенным друзьям. В декабре 1821 года состоялась беседа с Волластоном, казалось, инцидент исчерпан, но… чуть позже группа учёных возобновила нападки, главой оппозиции стал сэр Хампфри Дэви. Смысл основных претензий заключался в противостоянии идее принятия Фарадея в члены Королевского общества. Это тяжким грузом давило на будущего открывателя закона электромагнитной индукции.
Открытие закона электромагнитной индукции
На время Фарадей, казалось, оставил идею исследований на ниве электричества. Сэр Хампфри Дэви был единственным, кто бросил шар против кандидатуры Майкла. Возможно, бывший ученик не хотел расстраивать покровителя, бывшего на тот момент президентом общества. Но постоянно терзала мысль о единстве природных процессов: если электричество удалось превратить в магнетизм, нужно попробовать сделать обратное.
Эта идея зародилась - по некоторым сведениям - в 1822 году, и Фарадей постоянно носил с собой кусок железняка, напоминавшего, служившего «узелком на память». С 1825 года, являясь полноправным членом Королевского общества, Майкл получает должность начальника лаборатории и немедленно совершает нововведения. Персонал теперь раз в неделю собирается на лекции с наглядными демонстрациями приборов. Постепенно вход становится открытым, даже дети получают возможность опробовать новое. Эта традиция положила начало знаменитым пятничным вечерам.
Целых пять лет занимался Фарадей оптическим стеклом, группа не достигла больших успехов, но практические результаты имелись. Произошло ключевое событие – обрывается жизнь Хампфри Дэви, постоянно противившегося опытам с электричеством. Фарадей отклоняет предложение о новом пятилетнем контракте и начинает теперь уже в открытую исследования, которые привели прямиком к магнитной индукции. Согласно литературе серия длилась 10 дней, неравномерно раскиданных в период с 29 августа по 4 ноября 1831 года. Фарадей описывает собственную лабораторную установку:
Из мягкого (с сильными магнитными свойствами) железа круглого сечения диаметром 7/8 дюйма я изготовил кольцо с внешним радиусом 3 дюйма. Фактически получился сердечник. Три первичные обмотки отделялись друг от друга хлопчатобумажной тканью и портняжным шнуром, чтобы удавалось объединить в одну или употреблять раздельно. Длина медного провода в каждой составляет 24 фута. Качество изоляции проверено при помощи элементов питания. Вторичная обмотка состояла из двух сегментов, по 60 футов длиной каждый, отстояла от первичной на расстояние.
От источника (предположительно элемент Волластона), имевшего в составе 10 пластин, площадью по 4 квадратных дюйма каждая, подавалось питание на первичную обмотку. Концы вторичной закорочены куском провода, в трёх футах от кольца вдоль цепи размещалась стрелка компаса. При замыкании источника питания намагниченная игла немедленно приходила в движение, и через интервал возвращалась на первоначальное место. Очевидно, что первичная обмотка вызывает отклик во вторичной. Сейчас бы сказали, что магнитное поле распространяется по сердечнику и наводит ЭДС на выходе трансформатора.
