>> Открытие электромагнитной индукции
Глава 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
До сих пор мы рассматривали электрические и магнитные поля, не изменяющиеся с течением времени. Было выяснено, что электростатическое поле создается неподвижными заряженными частицами, а магнитное поле - движущимися, т. е. электрическим током . Теперь познакомимся с электрическими и магнитными полями, которые меняются со временем.
Самый важный факт, который удалось обнаружить, - это теснейшая взаимосвязь между электрическим и магнитным полями. Оказалось, что изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле - магнитное . Без этой связи между полями разнообразие проявлений электромагнитных сил не было бы столь обширным, каким оно наблюдается на самом деле. Не существовало бы ни радиоволн, ни света.
§ 8 ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
В 1821 г. М. Фарадей записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет эта задача была им решена.
Не случайно первый, решающий шаг в открытии новых свойств электромагнитных взаимодействий сделан основоположником представлений об электромагнитном поле М. Фарадеем, который был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений. Благодаря этому он и сделал открытие, вошедшее в основу устройства генераторов всех электростанции мира, превращающих механическую энергию в энергию электрического тока. (Источники, работающие на других принципах: гальванические элементы, аккумуляторы и пр., - дают ничтожную долю вырабатываемой электрической энергии.)
Электрический ток, рассуждал М. Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока? Долгое время эту связь обнаружить не удавалось. Трудно было додуматься до главного, а именно: движущийся магнит , или меняющееся во времени магнитное поле, может возбудить электрический ток в катушке.
Какого рода случайности могли помешать открытию, показывает следующий факт. Почти одновременно с Фарадеем получить электрический ток в катушке с помощью магнита пытался швейцарский физик Колладон. В ходе работы он пользовался гальванометром, легкая магнитная стрелка которого помещалась внутри катушки прибора. Чтобы магнит не оказывал непосредственного влияния на стрелку, концы катушки, куда Колладон вводил магнит, надеясь получить в ней ток, были выведены в соседнюю комнату и там присоединены к гальванометру. Вставив магнит в катушку, Колладон шел в соседнюю комнату и с огорчением убеждался, что гальванометр не показывает тока. Стоило бы ему все время наблюдать за гальванометром, а кого-нибудь попросить заняться магнитом, замечательное открытие было бы сделано. Но этого не случилось. Покоящийся относительно катушки магнит не вызывает в ней тока.
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиВ учебнике физики для IX класса дан краткий экскурс в историю открытия рассматриваемого закона. Обзор целесообразно дополнить. Речь идет о фундаментальном законе природы, и нужно раскрыть все его стороны в процессе становления. Рассказ о процессе поисков закона Фарадеем особенно поучителен, и здесь не нужно- жалеть времени.
Майкл Фарадей родился в 1791 г. в окрестностях Лондона в семье кузнеца. Отец не имел средств для платы за учебу, и Фарадей в 13 лет был вынужден начать изучение переплетного дела. К счастью, он попал в ученики к владельцу книжного магазина. Любознательный мальчик жадно читал, причем нелегкую литературу. Его привлекали статьи по естественным наукам в Британской энциклопедии, он штудировал «Беседы о химии» Марсе. В 1811 г. Фарадей начал посещать общедоступные лекции по физике известного лондонского педагога Тэтума.
Поворотным в жизни Фарадея был 1812 г. Клиент владельца книжного магазина, член Королевского института Дэнс рекомендовал юноше прослушать лекции знаменитого химика Гэмфрн Дэви . Фарадей последовал доброму совету; он жадно слушал и тщательно конспектировал. По совету того же Дэнса он обработал записи и послал их Дэви, присоединив просьбу о предоставлении возможности исследовательской работы. В 1813 г. Фарадей получил место лаборанта в химической лаборатории Королевского института, которой руководил Дэви.
Вначале Фарадей - химик. Он быстро становится на путь самостоятельного творчества, и самолюбию Дэви приходится часто страдать от успехов ученика. В 1820 г. Фарадей узнает об открытии Эрстеда, и с этих пор его мысли поглощают электричество и магнетизм. Он начинает свои знаменитые экспериментальные исследования, приведшие к преобразованию физического мышления. В 1823 г. Фарадей был избран членом Лондонского Королевского общества, а затем назначен директором физической и химической лабораторий Королевского института. В стенах этих лабораторий были совершены величайшие открытия. Жизнь Фарадея, внешне монотонная, поразительна по творческому напряжению. О нем свидетельствует трехтомный: труд «Экспериментальные исследования по электричеству», в котором отражен шаг за шагом творческий путь гения.
В 1820 г. Фарадей ставит принципиально новую проблему: «превратить магнетизм в электричество». Это было вскоре после открытия магнитного действия токов. В опыте Эрстеда электрический ток действует, на магнит. Поскольку, согласно Фарадею, все силы природы взаимопревращаемы, можно, наоборот, магнитной силой возбудить электрический ток.
Фарадей ожижает газы, производит тонкие химические анализы, открывает новые химические свойства веществ. Но мысль его неотступно занята поставленной проблемой. В 1822 г. он описывает попытку обнаружить «состояние», обусловленное течением тока: «поляризовать луч света от лампы путем отражения и попытаться обнаружить, не окажет ли деполяризующее действие вода, расположенная между полюсами, вольтовой батареи в стеклянном сосуде...» Фарадей надеялся таким образом получить какую-нибудь информацию о свойствах тока. Но опыт не дал ничего. Далее следует 1825 год. Фарадей публикует статью «Электромагнитный ток (под влиянием магнита)», в которой высказывает следующую мысль. Если ток действует на магнит, то он должен испытывать, противодействие. «По разным соображениям, - пишет Фарадей,- было сделано предположение, что приближение полюса сильного магнита будет уменьшать электрическийток». И он описывает опыт, реализующий эту идею.
В дневнике от 28 ноябряря 1825 г. описан аналогичный опыт. Батарея гальванических элементов соединялась проводом. Параллельно этому проводу располагался другой (провода разделялись двойным слоем бумаги), концы которого присоединялись к гальванометру. Фарадей рассуждал, по-видимому, так. Если ток есть движение электрической жидкости и это движение действует на постоянный магнит - совокупность токов (по гипотезе Ампера), то движущаяся жидкость в одном проводнике должна заставить двигаться неподвижную - в другом, и гальванометр должен зафиксировать ток. «Разные соображения», о которых писал Фарадей при изложении первого опыта, сводились к тому же, только там ожидалась реакция движущегося в проводнике электрического флюида со стороны молекулярных токов постоянного магнита. Но опыты дали отрицательный результат.
Решение пришло в 1831 г., когда Фарадей предположил, что индукция должна возникнуть при и нестационарном процессе. Это была ключевая мысль, приведшая к открытию явления электромагнитной индукции.
Возможно, что к идее изменения тока заставило обратиться сообщение, полученное из Америки. Известие пришло от американского физика Джозефа Генри (1797 - 1878).
В юные годы Генри не проявлял ни исключительных способностей, ни интереса к науке. Вырос он в нищете, был батраком на ферме, актером. Так же, как и Фарадей, он занимайся самообразованием. Учиться начал с 16 лет в академии города Олбани. За семь месяцев он усвоил столько знаний, что получил место учителя в сельской школе. Затем Генри работал у профессора химии Бека в качестве лекционного ассистента. Работу он совмещал с учебой в академии. После окончания курса Генри был назначен инженером и инспектором на канале Эри. Через несколько месяцев он оставил эту выгодную должность, приняв приглашение на должность профессора математики и физики в Олбани. В это время английский изобретатель Вильям Стерджен (1783 - 1850) сообщил о своем изобретении подковообразного магнита, способного поднять стальное тело весом до четырех килограммов.
Генри увлекся электромагнетизмом. Он сразу же нашел способ увеличить подъемную силу до тонны. Достичь этого удалось новым в то время приемом: вместо изоляции тела магнита изолировался провод. Открылся способ создания многослойных обмоток. Еще в 1831 г. Генри показал возможность построения электродвигателя, изобрел электромагнитное реле, и с его помощью демонстрировал передачу электрических сигналов на расстояние, предвосхитив изобретение Морзе (телеграф Морзе появился в 1837 г.).
Подобно Фарадею Генри поставил перед собой задачу получить электрический ток с помощью магнита. Но это была постановка задачи изобретателя. И поиски направлялись голой интуицией. Открытие произошло за несколько лет до опытов Фарадея. Постановка ключевого опыта Генри изображена на рисунке 9. Здесь все так же, как показывается до сих пор. Только гальваническому элементу мы предпочитаем более удобный аккумулятор, а вместо крутильных весов пользуемся гальванометром.
Но Генри не сообщил об этом опыте никому. «Мне следовало напечатать это раньше,- говорил он сокрушенно своим друзьям,- Но у меня было так мало времени! Хотелось свести полученные результаты в какую-то систему»
(курсив мой.- В.
Д.). И отсутствие регулярного образования и еще более - утилитарно- изобретательский дух американской науки сыграли плохую роль. Генри, конечно, не понял и не почувствовал глубины и важности нового открытия. В противном случае он, конечно, оповестил бы ученый мир о величайшем факте. Умолчав об индукционных опытах, Генри сразу же послал сообщение, когда ему удалось поднять электромагнитом целую тонну.
Именно это сообщение и получил Фарадей. Возможно, оно послужило последним звеном в цепи умозаключений, приведших к ключевой идее. В опыте 1825 г. два провода отделялись бумагой. Индукция должна была быть, но не обнаруживалась вследствие слабости эффекта. Генри показал, что в электромагните эффект резко усиливается при применении многослойной обмотки. Следовательно, индукция должна возрасти, если индуктивное действие будет передаваться по большой длине. В самом деле, магнит - собрание токов. Возбуждение намагничивания в стальном стержне при пропускании тока по обмотке есть индукция тока током. Она усиливается, если путь тока по обмотке становится длиннее.
Такова возможная цепь логических умозаключений Фарадея. Вот полное описание первого успешного опыта: «Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; другие двести три фута такой же проволоки были проложены в виде спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт был везде 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 пластинками. При замыкании контакта наблюдалось внезапное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобное же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей».
Таков был первый опыт, давший положительный результат после десятилетних поисков. Фарадей устанавливает, что при замыкании и размыкании возникают индукционные токи противоположных направлений. Далее он переходит к изучению влияния железа на индукцию.
«Из круглого брускового, мягкого железа было сварено кольцо; толщина металла была равна семи-восьми дюймам, а наружный диаметр кольца - шести дюймам. На одну часть этого кольца было намотано три спирали, каждая из которых содержала около двадцати четырех футов медной проволоки толщиной в одну двадцатую дюйма. Спирали были изолированы от железа и друг от друга и наложены одна на другую... Ими можно было пользоваться по отдельности и в соединении; эта группа обозначена буквой А
(рис. 10). На другую часть кольца было намотано таким же способом около шестидесяти футов такой же медной проволоки в двух кусках, образовавших спираль В,
которая имела одинаковое направление со спиралями А,
но была отделена от них на каждом конце на протяжении примерно полудюйма голым железом.
Спираль В
соединялась медными проводами с гальванометром, помещенным на расстоянии трех футов от кольца. Отдельные спирали А
соединялись конец с концом так, что образовали общую спираль, концы которой были соединены с батареей из десяти пар пластин в четыре квадратных дюйма. Гальванометр реагировал немедленно, притом значительно сильнее, чем это наблюдалось выше, при пользовании в десять раз более мощной спиралью без железа».
Наконец, Фарадей производит опыт, с которого до сих пор обычно начинают изложение вопроса об электромагнитной индукции. Это было точное повторение опыта Генри, изображенного на рисунке 9.
Задача, поставленная Фарадеем в 1820 г., была решена: магнетизм был превращен в электричество.
Вначале Фарадей различает индукцию тока от тока (ее он называет «вольта-электрическая индукция» и тока от магнита («магнито-электрическая индукция»). Но затем он показывает, что все случаи подчиняются одной общей закономерности.
Закон электромагнитной индукции охватил и другую группу явлений, которая получила впоследствии название явлений самоиндукции. Фарадей назвал новое явление так: «Индуктивное влияние электрического тока на самого себя».
Вопрос этот возник в связи со следующим фактом, сообщенным Фарадею в 1834 г. Дженкиным. Факт этот заключался в следующем. Две пластины гальванической батареи соединяются проволокой небольшой длины. При этом никакими ухищрениями экспериментатору не удается получить от этой проволоки электрического удара. Но если взять вместо проволоки обмотку электромагнита, то всякий раз при размыкании цепи ощущается удар. Фарадей писал: «Одновременно наблюдается другое, давно известное ученым явление,
а именно: в месте разъединения проскакивает яркая электрическая искра» (курсив мой - В. Д.).
Фарадей начал обследование этих фактов и вскоре открыл ряд новых сторон явления. Ему понадобилось немного времени, Чтобы установить «тождественность явлений с явлениями индукции». Опыты, которые до сих пор демонстрируются и в.средней, и в высшей школе при объяснении явления самоиндукции, были поставлены Фарадеем в 1834 г.
Независимо аналогичные опыты были поставлены Дж. Генри, однако, как и опыты по индукции, они своевременно не были опубликованы. Причина та же: Генри не нашел физической концепции, охватывающей разнообразные по форме явления.
Для Фарадея самоиндукция была фактом, осветившим дальнейший путь поисков. Обобщая наблюдения, он приходит к заключениям большого принципиального значения. «Не подлежит сомнению, что ток в одной части провода может действовать путем индукции на другие части того же самого провода, находящиеся рядом... Именно это и создает впечатление, что ток действует на самого себя».
Не зная природы тока, Фарадей тем не менее точно указывает на суть дела: «Когда ток действует путем индукции нарядом с ним расположенное проводящее вещество, то, вероятно, он действует на имеющееся в этом проводящем веществе электричество,- все равно, находится ли последнее в состоянии тока или же оно неподвижно; в первом случае он усиливает или ослабляет ток, смотря по его направлению во втором - создает ток».
Математическое выражение закона электромагнитной индукций дал в 1873 г. Максвелл в «Трактате по электричеству и магнетизму». Только после этого он стал основой количественных расчетов. Так что закон электромагнитной индукции следует называть законом Фарадея-Максвелла.
Методические замечания
. Известно, что возбуждение индукционного тока в проводнике, движущемся в постоянном магнитном поле, и в неподвижном проводнике, который находится в переменном магнитном поле, подчиняется одному и тому же закону . Для Фарадея и Максвелла это было очевидно, поскольку они представляли себе линии магнитной индукции как реальные образования в эфире. При включении и выключении тока или изменениях силы тока вокруг проводников, составляющих цепь, линии магнитной индукции перемещаются. При этом они пересекают саму цепь, обусловливая явление самоиндукции. Если около цепи с изменяющимся током находится какой-либо проводник, то линии магнитной индукции, пересекая его, возбуждают ЭДС электромагнитной индукции.
Материализация силовых линий электрического поля и линий магнитной индукции стали достоянием истории. Однако было бы ошибочно придавать силовым линиям лишь формальный характер. Современная физика считает, что силовая линия электрического поля и линия магнитной индукции- это геометрическое место точек, в которых данное поле имеет состояние, отличное от состояния в других точках. Это состояние определяется значениями векторов и
в этих точках. При изменениях поля векторы и
изменяются, соответственно изменяется, конфигурация силовых линий. Состояние поля может перемещаться в пространстве со скоростью света. Если проводник находится в поле, состояние которого изменяется, в проводнике возбуждается ЭДС.
Случай, когда поле постоянно, а проводник перемещается в этом поле, не описывается теорией Максвелла. Впервые на это обратил внимание Эйнштейн. Его основополагающая, работа «К электродинамике движущихся тел» как раз и начинается с обсуждения недостаточности теории Максвелла в этом пункте. Явление возбуждения ЭДС в проводнике, движущемся е постоянном магнитном поле, может быть включено в рамки теории электромагнитного поля, если ее дополнить принципом относительности и принципом постоянства скорости света.
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.« »).
Сегодня мы расскажем о явлении электромагнитной индукции. Раскроем, почему этот феномен был открыт и какую пользу принес.
Люди всегда стремились жить лучше. Кто-то может подумать, что это повод обвинить человечество в алчности. Но часто речь идет об обретении элементарного бытового удобства.
В средневековой Европе умели делать ткани шерстяные, хлопковые и льняные. А еще в то время люди страдали от избытка блох и вшей. При этом в китайской цивилизации уже научились виртуозно ткать шелк. Одежда из него не подпускала кровососов к коже человека. Лапки насекомых скользили по гладкой ткани, и вши сваливались. Поэтому европейцы захотели во что бы то ни стало одеваться в шелк. А торговцы подумали, что это еще одна возможность разбогатеть. Поэтому был проложен Великий шелковый путь.
Только так желанную ткань доставляли страждущей Европе. И настолько много людей вовлекались в процесс, что в результате возникали города, империи спорили за право взимать налоги, а некоторые отрезки пути до сих пор наиболее удобный способ добраться до нужного места.
На пути караванов с шелком вставали горы и пустыни. Бывало, что характер местности оставался прежним недели и месяцы. Степные дюны сменялись такими же холмами, один перевал следовал за другим. И людям надо было как-то ориентироваться, чтобы доставить свой ценный груз.
Первыми на выручку пришли звезды. Зная, какой сегодня день, и каких созвездий ожидать, опытный путешественник всегда мог определить, где юг, где восток, и куда идти. Но людей с достаточным объемом знаний всегда не хватало. Да и время точно отсчитывать тогда не умели. Закат солнца, восход - вот и все ориентиры. А снежная или песчаная буря, пасмурная погода исключали даже возможность видеть полярную звезду.
Потом люди (вероятно, древние китайцы, но ученые еще спорят на этот счет) поняли, что один минерал всегда определенным образом расположен по отношению к сторонам света. Это свойство использовалось, чтобы создать первый компас. До открытия явления электромагнитной индукции было далеко, но начало было положено.
Само название «магнит» восходит к топониму. Вероятно, первые компасы делались из руды, добываемой в холмах Магнезии. Эта область располагается в Малой Азии. И выглядели магниты как черные камни.
Первые компасы были весьма примитивными. В чашу или другую емкость наливалась вода, сверху клался тонкий диск из плавучего материала. А в центр диска помещалась намагниченная стрелка. Один ее конец всегда указывал на север, другой - на юг.
Трудно даже представить себе, что караван сохранял воду для компаса, пока от жажды умирали люди. Но не потерять направление и позволить людям, животным и товару добраться до безопасного места было важнее нескольких отдельных жизней.
Компасы проделывали множество путешествий и встречались с различными феноменами природы. Неудивительно, что явление электромагнитной индукции было открыто в Европе, хотя магнитная руда первоначально добывалась в Азии. Вот таким замысловатым образом желание европейских жителей спать удобнее привело к важнейшему открытию физики.
В начале девятнадцатого века ученые поняли, как получать постоянный ток. Была создана первая примитивная батарейка. Ее хватало для того, чтобы пустить по металлическим проводникам поток электронов. Благодаря первому источнику электричества был совершен ряд открытий.
В 1820 году датский ученый Ханс Кристиан Эрстед выяснил: магнитная стрелка отклоняется рядом со включенным в сеть проводником. Положительный полюс компаса всегда расположен определенным образом по отношению к направлению тока. Ученый производил опыт во всех возможных геометриях: проводник был над или под стрелкой, они располагались параллельно или перпендикулярно. В результате всегда получалось одно и то же: включенный ток приводил в движение магнит. Так было предвосхищено открытие явления электромагнитной индукции.
Но мысль ученых должна подтверждаться экспериментом. Сразу после опыта Эрстеда английский физик Майкл Фарадей задался вопросом: «Магнитное и электрическое поле просто влияют друг на друга, или они связаны теснее?» Первым ученый проверил предположение, что если электрическое поле заставляет отклоняться намагниченный предмет, то магнит должен порождать ток.
Схема опыта проста. Сейчас ее может повторить любой школьник. Тонкая металлическая проволока была свернута в форме пружины. Ее концы подключались к прибору, регистрирующему ток. Когда рядом с катушкой двигался магнит - стрелка устройства показывала напряжение электрического поля. Таким образом был выведен закон электромагнитной индукции Фарадея.
Но это еще не все, что сделал ученый. Раз магнитное и электрическое поле связаны тесно, требовалось выяснить, насколько.
Для этого Фарадей к одной обмотке подвел ток и вдвинул ее внутрь другой такой же обмотки радиусом больше первой. И снова было индуцировано электричество. Таким образом, ученый доказал: движущийся заряд порождает и электрическое, и магнитное поля одновременно.
Стоит подчеркнуть, что речь идет о движении магнита или магнитного поля внутри замкнутого контура пружины. То есть поток должен все время меняться. Если этого не происходит, ток не генерируется.
Закон Фарадея для электромагнитной индукции выражается формулой
Расшифруем символы.
ε обозначает ЭДС или электродвижущую силу. Эта величина скалярная (то есть не векторная), и она показывает работу, которую прикладывают некие силы или законы природы, чтобы создать ток. Надо отметить, что работу должны совершать непременно неэлектрические явления.
Φ - это магнитный поток сквозь замкнутый контур. Данная величина является произведением двух других: модуля вектора магнитной индукции В и площади замкнутого контура. Если магнитное поле действует на контур не строго перпендикулярно, то к произведению добавляется косинус угла между вектором В и нормалью к поверхности.
За этим законом последовали другие. Последующие ученые устанавливали зависимости напряженности электрического тока от мощности, сопротивления от материала проводника. Изучались новые свойства, создавались невероятные сплавы. Наконец, человечество расшифровало структуру атома, вникло в тайну рождения и смерти звезд, вскрыло геном живых существ.
И все эти свершения требовали огромного количества ресурсов, а, прежде всего, электричества. Любое производство или большое научное исследование проводились там, где были доступны три составляющие: квалифицированные кадры, непосредственно материал, с которым надо работать и дешевая электроэнергия.
А это было возможно там, где силы природы могли придавать большой момент вращения ротору: реки с большим перепадом высот, долины с сильными ветрами, разломы с избытком геомагнитной энергии.
Интересно, что современный способ получать электричество не отличается принципиально от опытов Фарадея. Магнитный ротор очень быстро вращается внутри большой катушки проволоки. Магнитное поле в обмотке все время меняется и генерируется электрический ток.
Конечно, подобраны и наилучший материал для магнита и проводников, и технология всего процесса совсем другая. Но суть в одном: используется принцип, открытый на простейшей системе.
Вектор магнитной индукции \(~\vec B\) характеризует магнитное поле в каждой точке пространства. Введем еще одну величину, зависящую от значения вектора магнитной индукции не в одной точке, а во всех точках произвольно выбранной поверхности. Эту величину называют потоком вектора магнитной индукции, или магнитным потоком .
Выделим в магнитном поле настолько малый элемент поверхности площадью ΔS , чтобы магнитную индукцию во всех его точках можно было считать одинаковой. Пусть \(~\vec n\) - нормаль к элементу, образующая угол α с направлением вектора магнитной индукции (рис. 1).
Потоком вектора магнитной индукции через поверхность площадью ΔS называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции \(~\vec B\) на площадь ΔS и косинус угла α между векторами \(~\vec B\) и \(~\vec n\) (нормалью к поверхности):
\(~\Delta \Phi = B \cdot \Delta S \cdot \cos \alpha\) .
Произведение B ∙cos α = В n представляет собой проекцию вектора магнитной индукции на нормаль к элементу. Поэтому
\(~\Delta \Phi = B_n \cdot \Delta S\) .
Поток может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от значения угла α .
Если магнитное поле однородно, то поток через плоскую поверхность площадью S равен:
\(~\Phi = B \cdot S \cdot \cos \alpha\) .
Поток магнитной индукции наглядно может быть истолкован как величина, пропорциональная числу линий вектора \(~\vec B\) , пронизывающих данную площадку поверхности.
Вообще говоря, поверхность может быть замкнутой. В этом случае число линий индукции, входящих внутрь поверхности, равно числу линий, выходящих из нее (рис. 2). Если поверхность замкнута, то положительной нормалью к поверхности принято считать внешнюю нормаль.
Линии магнитной индукции замкнуты, что означает равенство нулю потока магнитной индукции через замкнутую поверхность. (Выходящие из поверхности линии дают положительный поток, а входящие – отрицательный.) Это фундаментальное свойство магнитного поля связано с отсутствием магнитных зарядов. Если бы не было электрических зарядов, то и электрический поток через замкнутую поверхность был бы равен нулю.
В 1821 г. Майкл Фарадей записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет эта задача была им решена.
М. Фарадей был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений, но долгое время взаимосвязь этих явлений обнаружить не удавалось. Трудно было додуматься до главного: только меняющееся во времени магнитное поле может возбудить электрический ток в неподвижной катушке или же сама катушка должна двигаться в магнитном поле.
Открытие электромагнитной индукции, как назвал Фарадей это явление, было сделано 29 августа 1831 г. Вот краткое описание первого опыта, данное самим Фарадеем. «На широкую деревянную катушку была намотана медная проволока длиной в 203 фута (фут равен 304,8 мм), и между витками ее намотана проволока такой же длины, но изолированная от первой хлопчатобумажной нитью. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая - с сильной батареей, состоящей из 100 пар пластин... При замыкании цепи удалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие на гальванометр, и то же самое замечалось при прекращении тока. При непрерывном же прохождении тока через одну из спиралей не удавалось отметить ни действия на гальванометр, ни вообще какого-либо индукционного действия на другую спираль, не смотря на то что нагревание всей спирали, соединенной с батареей, и яркость искры, проскакивающей между углями, свидетельствовали о мощности батареи».
Итак, первоначально была открыта индукция в неподвижных друг относительно друга проводниках при замыкании и размыкании цепи. Затем, ясно понимая, что сближение или удаление проводников с током должно приводить к тому же результату, что и замыкание и размыкание цепи, Фарадей с помощью опытов доказал, что ток возникает при перемещении катушек относительно друг друга (рис. 3).
Знакомый с трудами Ампера, Фарадей понимал, что магнит - это совокупность маленьких токов, циркулирующих в молекулах. 17 октября, как зарегистрировано в его лабораторном журнале, был обнаружен индукционный ток в катушке во время вдвигания (или выдвигания) магнита (рис. 4).
В течение одного месяца Фарадей опытным путем открыл все существенные особенности явления электромагнитной индукции. Оставалось только придать закону строгую количественную форму и полностью вскрыть физическую природу явления. Уже сам Фарадей уловил то общее, от чего зависит появление индукционного тока в опытах, которые внешне выглядят по-разному.
В замкнутом проводящем контуре возникает ток при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. Это явление называется электромагнитной индукцией.
И чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше возникающий ток. При этом причина изменения числа линий магнитной индукции совершенно безразлична. Это может быть и изменение числа линий магнитной индукции, пронизывающих неподвижный проводник вследствие изменения силы тока в соседней катушке, и изменение числа линий вследствие движения контура в неоднородном магнитном поле, густота линий которого меняется в пространстве (рис. 5).
Индукционный ток, возникший в проводнике, немедленно начинает взаимодействовать с породившим его током или магнитом. Если магнит (или катушку с током) приближать к замкнутому проводнику, то появляющийся индукционный ток своим магнитным полем обязательно отталкивает магнит (катушку). Для сближения магнита и катушки нужно совершить работу. При удалении магнита возникает притяжение. Это правило выполняется неукоснительно. Представьте себе, что дело обстояло бы иначе: вы подтолкнули магнит к катушке, и он сам собой устремился бы внутрь нее. При этом нарушился бы закон сохранения энергии. Ведь механическая энергия магнита увеличилась бы и одновременно возникал бы ток, что само по себе требует затраты энергии, ибо ток тоже может совершать работу. Индуцированный в якоре генератора электрический ток, взаимодействуя с магнитным полем статора, тормозит вращение якоря. Только поэтому для вращения якоря нужно совершать работу, тем большую, чем больше сила тока. За счет этой работы и возникает ин-дукционный ток. Интересно отметить, что если бы магнитное поле нашей планеты было очень большим и сильно неоднородным, то быстрые движения проводящих тел на ее поверхности и в атмосфере были бы невозможны из-за интенсивного взаимодействия индуцированного в теле тока с этим полем. Тела двигались бы как в плотной вязкой среде и при этом сильно разогревались бы. Ни самолеты, ни ракеты не могли бы летать. Человек не мог бы быстро двигать ни руками, ни ногами, так как человеческое тело - неплохой проводник.
Если катушка, в которой наводится ток, неподвижна относительно соседней катушки с переменным током, как, например, у трансформатора, то и в этом случае направление индукционного тока диктуется законом сохранения энергии. Этот ток всегда направлен так, что созданное им магнитное поле стремится уменьшить изменения тока в первичной обмотке.
Отталкивание или притяжение магнита катушкой зависит от направления индукционного тока в ней. Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока. В чем состоит различие двух опытов: приближение магнита к катушке и его удаление? В первом случае магнитный поток (или число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки) увеличивается (рис. 6, а), а во втором случае - уменьшается (рис. 6, б). Причем в первом случае линии индукции В ’ магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки, так как катушка отталкивает магнит, а во втором случае, наоборот, входят в этот конец. Эти линии магнитной индукции на рисунке 6 изображены штрихом.
Рис. 6
Теперь мы подошли к главному: при увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует нарастанию магнитного потока через витки катушки. Ведь вектор индукции \(~\vec B"\) этого поля направлен против вектора индукции \(~\vec B\) поля, изменение которого порождает электрический ток. Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный ток создает магнитное поле с индукцией \(~\vec B"\) , увеличивающее магнитный поток через витки катушки.
В этом состоит сущность общего правила определения направления индукционного тока, которое применимо во всех случаях. Это правило было установлено русским физиком Э. X. Ленцем (1804-1865).
Согласно правилу Ленца
возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое на-правление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, которое порождает данный ток.
индукционный ток имеет такое направление, что препятствует причине его вызывающей.
В случае сверхпроводников компенсация изменения внешнего магнитного потока будет полной. Поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную сверхпроводящим контуром, вообще не меняется со временем ни при каких условиях.
Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока I i в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции \(~\vec B\) , пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. Более точно это утверждение можно сформулировать, используя понятие магнитного потока.
Магнитный поток наглядно истолковывается как число линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность площадью S . Поэтому скорость изменения этого числа есть не что иное, как скорость изменения магнитного потока. Если за малое время Δt магнитный поток меняется на ΔФ , то скорость изменения магнитного потока равна \(~\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\) .
Поэтому утверждение, которое вытекает непосредственно из опыта, можно сформулировать так:
сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:
\(~I_i \sim \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\) .
Известно, что в цепи возникает электрический ток в том случае, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работу этих сил при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура называют электродвижущей силой. Следовательно, при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС, называемой ЭДС индукции. Обозначим ее буквой E i .
Закон электромагнитной индукции формулируется именно для ЭДС, а не для силы тока. При такой формулировке закон выражает сущность явления, не зависящую от свойств проводников, в которых возникает индукционный ток.
Согласно закону электромагнитной индукции (ЭМИ)
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:
\(~|E_i| = |\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}|\) .
Как в законе электромагнитной индукции учесть направление индукционного тока (или знак ЭДС индукции) в соответствии с правилом Ленца?
На рисунке 7 изображен замкнутый контур. Будем считать положительным направление обхода контура против часовой стрелки. Нормаль к контуру \(~\vec n\) образует правый винт с направлением обхода. Знак ЭДС, т. е. удельной работы, зависит от направления сторонних сил по отношению к направлению обхода контура. Если эти направления совпадают, то E i > 0 и соответственно I i > 0. В противном случае ЭДС и сила тока отрицательны.
Пусть магнитная индукция \(~\vec B\) внешнего магнитного поля направлена вдоль нормали к контуру и возрастает со временем. Тогда Ф > 0 и \(~\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\) > 0. Согласно правилу Ленца индукционный ток создает магнитный поток Ф ’ < 0. Линии индукции B ’ магнитного поля индукционного тока изображены на рисунке 7 штрихом. Следовательно, индукционный ток I i направлен по часовой стрелке (против положительного направления обхода) и ЭДС индукции отрицательна. Поэтому в законе электромагнитной индукции должен стоять знак минус:
\(~E_i = - \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\) .
В Международной системе единиц закон электромагнитной индукции используют для установления единицы магнитного потока. Эту единицу называют вебером (Вб).
Так как ЭДС индукции E i выражают в вольтах, а время в секундах, то из закона ЭМИ вебер можно определить следующим образом:
магнитный поток через поверхность, ограниченную замкнутым контуром, равен 1 Вб, если при равномерном убывании этого потока до нуля за 1 с в контуре возникает ЭДС индукции равная 1 В:
1 Вб = 1 В ∙ 1 с.
Изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле . К этому выводу впервые пришел Дж. Максвелл.
Теперь явление электромагнитной индукции предстает перед нами в новом свете. Главное в нем - это процесс порождения магнитным полем поля электрического. При этом наличие проводящего контура, например катушки, не меняет существа дела. Проводник с запасом свободных электронов (или других частиц) лишь помогает обнаружить возникающее электрическое поле. Поле приводит в движение электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Сущность явления электромагнитной индукции в неподвижном проводнике состоит не столько в появлении индукционного тока, сколько в возникновении электрического поля, которое приводит в движение электрические заряды.
Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совсем другую структуру, чем электростатическое. Оно не связано непосредственно с электрическими зарядами, и его линии напряженности не могут на них начинаться и кончаться. Они вообще нигде не начинаются и не кончаются, а представляют собой замкнутые линии, подобные линиям индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле . Может возникнуть вопрос: а почему, собственно, это поле называется электрическим? Ведь оно имеет другое происхождение и другую конфигурацию, чем статическое электрическое поле. Ответ прост: вихревое поле действует на заряд q точно так же, как и электростатическое, а это мы считали и считаем главным свойством поля. Сила, действующая на заряд, по-прежнему равна \(~\vec F = q \vec E\) , где \(~\vec E\) - напряженность вихревого поля. Если магнитный поток создается однородным магнитным полем, сконцентрированным в длинной узкой цилиндрической трубке радиусом r 0 (рис. 8), то из соображений симметрии очевидно, что линии напряженности электрического поля лежат в плоскостях, перпендикулярных линиям \(~\vec B\) , и представляют собой окружности. В соответствии с правилом Ленца при возрастании магнитной индукции \(~\left (\frac{\Delta B}{\Delta t} > 0 \right)\) линии напряженности \(~\vec E\) образуют левый винт с направлением магнитной индукции \(~\vec B\) .
В отличие от статического или стационарного электрического поля работа вихревого поля на замкнутом пути не равна нулю. Ведь при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, так как сила и перемещение совпадают по направлению. Вихревое электрическое поле, так же как и магнитное поле, не потенциальное.
Работа вихревого электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.
Итак, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Но не кажется ли вам, что одного утверждения здесь недостаточно? Хочется знать, каков же механизм данного процесса. Нельзя ли разъяснить, как эта связь полей осуществляется в природе? И вот тут-то ваша естественная любознательность не может быть удовлетворена. Никакого механизма здесь просто нет. Закон электромагнитной индукции - это фундаментальный закон природы, значит, основной, первичный. Действием его можно объяснить многие явления, но сам он остается необъяснимым просто по той причине, что нет более глубоких законов, из которых бы он вытекал в виде следствия. Во всяком случае сейчас такие законы неизвестны. Таковыми являются все основные законы: закон тяготения, закон Кулона и т.д.
Мы, конечно, вольны ставить перед природой любые вопросы, но не все они имеют смысл. Так, например, можно и нужно исследовать причины различных явлений, но пытаться выяснить, почему вообще существует причинность, - бесполезно. Такова природа вещей, таков мир, в котором мы живем.
