Prąd indukowany elektromagnetycznie. Faradaya. odkrycie indukcji elektromagnetycznej. Magnetyczne lub elektryczne

Wraz z genialnym odkryciem Faradaya rozpoczyna się nowy okres w rozwoju nauk fizycznych Indukcja elektromagnetyczna. To właśnie w tym odkryciu wyraźnie zademonstrowano zdolność nauki do wzbogacania technologii o nowe pomysły. Na podstawie swojego odkrycia sam Faraday przewidział istnienie fal elektromagnetycznych. 12 marca 1832 r. zapieczętował kopertę z napisem „Nowe poglądy należy na razie przechowywać w zapieczętowanej kopercie w archiwach Towarzystwa Królewskiego”. Kopertę tę otwarto w 1938 roku. Okazało się, że Faraday dość wyraźnie rozumiał, że oddziaływania indukcyjne rozchodzą się ze skończoną prędkością w sposób falowy. „Wierzę, że możliwe jest zastosowanie teorii oscylacji do propagacji indukcji elektrycznej” – napisał Faraday. Jednocześnie wskazał, że „rozprzestrzenianie się oddziaływania magnetycznego wymaga czasu, to znaczy, gdy magnes oddziałuje na inny, odległy magnes lub kawałek żelaza, przyczyna wpływająca (którą ośmielę się nazwać magnetyzmem) rozprzestrzenia się stopniowo z ciał magnetycznych i wymaga pewnego czasu na jego propagację”, co oczywiście będzie bardzo nieznaczne. Uważam też, że indukcja elektryczna rozchodzi się dokładnie w ten sam sposób. Uważam, że rozchodzenie się sił magnetycznych od bieguna magnetycznego jest podobne do drgań naruszoną powierzchnię wody lub na dźwięk wibracji cząsteczek powietrza.”

Faraday zrozumiał wagę swojego pomysłu i nie mogąc go przetestować eksperymentalnie, postanowił za pomocą tej koperty „zabezpieczyć dla siebie odkrycie i tym samym mieć prawo, w przypadku eksperymentalnego potwierdzenia, ogłosić tę datę jako daty jego odkrycia.” Tak więc 12 marca 1832 roku ludzkość po raz pierwszy wpadła na pomysł istnienia fale elektromagnetyczne. Od tej daty rozpoczyna się historia odkryć radio.

Ale odkrycie Faradaya miało znaczenie nie tylko w historii techniki. Miało to ogromny wpływ na rozwój naukowego rozumienia świata. Dzięki temu odkryciu nowy obiekt wkracza do fizyki - pole fizyczne. Zatem odkrycie Faradaya należy do tych podstawowych odkryć naukowych, które pozostawiają zauważalny ślad w całej historii kultury ludzkiej.

Introligator, syn londyńskiego kowala urodził się 22 września 1791 roku w Londynie. Geniusz samouk nie miał nawet możliwości ukończenia szkoły podstawowej i sam utorował sobie drogę do nauki. Studiując introligatorstwo czytał książki, zwłaszcza z zakresu chemii i sam przeprowadzał eksperymenty chemiczne. Słuchając publicznych wykładów słynnego chemika Davy'ego, w końcu przekonał się, że jego powołaniem jest nauka i poprosił go, aby zatrudnił go w Instytucie Królewskim. Od 1813 r., kiedy Faradaya przyjęto do instytutu w charakterze asystenta laboratoryjnego, aż do swojej śmierci (25 sierpnia 1867 r.) żył nauką. Już w 1821 r., kiedy Faraday otrzymał rotację elektromagnetyczną, postawił sobie za cel „przekształcenie magnetyzmu w elektryczność”. Dziesięć lat poszukiwań i ciężkiej pracy zakończyło się odkryciem indukcji elektromagnetycznej 29 sierpnia 1871 roku.

„Dwieście trzy stopy drutu miedzianego w jednym kawałku owinięto wokół dużego drewnianego bębna; kolejne dwieście trzy stopy tego samego drutu zaizolowano spiralnie pomiędzy zwojami pierwszego uzwojenia, eliminując kontakt metaliczny za pomocą środków sznurka. Jedna z tych spiral była podłączona do galwanometru, a druga do dobrze naładowanej baterii składającej się ze stu par czterocalowych kwadratowych płytek z podwójnymi płytkami miedzianymi. Po zamknięciu styku występował tymczasowy, ale bardzo nieznaczny efekt na galwanometrze i podobny niewielki efekt miał miejsce po otwarciu styku z akumulatorem. W ten sposób Faraday opisał swoje pierwsze doświadczenie z indukcją prądów. Nazwał ten rodzaj indukcji indukcyjnej indukcją galwaniczną. Dalej opisuje swoje główne doświadczenia z żelaznym pierścieniem - prototypem nowoczesności transformator.

„Pierścień został zespawany z okrągłego kawałka miękkiego żelaza; grubość metalu wynosiła siedem ósmych cala, a zewnętrzna średnica pierścienia sześć cali. Wokół jednej części tego pierścienia owinięte były trzy spirale, każda zawierająca około dwadzieścia cztery stopy drutu miedzianego, grubość jednej dwudziestej cala. Spirale były odizolowane od żelaza i od siebie nawzajem..., zajmując około dziewięciu cali wzdłuż pierścienia. Można ich było używać pojedynczo lub w połączeniu, grupa ta jest oznaczona literą A. Wokół drugiej części pierścienia owinięto w ten sam sposób około sześćdziesięciu stóp tego samego drutu miedzianego w dwóch kawałkach, które utworzyły spiralę B, mającą ten sam kierunek co spirale A, ale oddzielone od nich na każdym końcu około pół cala gołego żelaza.

Spirala B została połączona miedzianymi drutami z galwanometrem umieszczonym trzy stopy od żelaza. Poszczególne spirale zostały połączone końcami, tworząc wspólną spiralę, której końce zostały połączone z baterią dziesięciu par płytek o powierzchni czterech cali kwadratowych. Galwanometr zareagował natychmiast i znacznie silniej, niż zaobserwowano, jak opisano powyżej, stosując cewkę dziesięciokrotnie mocniejszą, ale bez żelaza; jednak mimo utrzymywania kontaktu akcja została wstrzymana. Kiedy styk z baterią został otwarty, strzałka ponownie odbiła się mocno, ale w kierunku przeciwnym do tego, który został wywołany w pierwszym przypadku.”

Faraday dalej badał wpływ żelaza w drodze bezpośredniego eksperymentu, wprowadzając żelazny pręt do pustej w środku cewki. W tym przypadku „indukowany prąd miał bardzo silny wpływ na galwanometr”. „Podobny efekt uzyskano wówczas za pomocą zwykłego magnesy„. Faraday nazwał tę akcję indukcja magnetoelektryczna, zakładając, że natura indukcji galwanicznej i magnetoelektrycznej jest taka sama.

Wszystkie opisane eksperymenty stanowią treść pierwszej i drugiej części klasycznego dzieła Faradaya „Badania eksperymentalne nad elektrycznością”, rozpoczętego 24 listopada 1831 r. W trzeciej części tej serii, „O nowym elektrycznym stanie materii”, Faradaya po raz pierwszy próbuje opisać nowe właściwości ciał objawiające się indukcją elektromagnetyczną. Nazywa tę odkrytą właściwość „stanem elektrotonicznym”. Jest to pierwszy zalążek idei pola, uformowanej później przez Faradaya i po raz pierwszy precyzyjnie sformułowanej przez Maxwella. Czwarta część pierwszej serii poświęcona jest wyjaśnieniu zjawiska Arago. Faraday słusznie klasyfikuje to zjawisko jako indukcję i stara się je wykorzystać do „pozyskania nowego źródła energii elektrycznej”. Przesuwając miedziany krążek pomiędzy biegunami magnesu, otrzymywał on prąd w galwanometrze za pomocą styków ślizgowych. To było pierwsze Maszyna na dynamo. Faraday podsumowuje wyniki swoich eksperymentów w następujących słowach: „W ten sposób wykazano, że za pomocą zwykłego magnesu można wytworzyć stały prąd elektryczny”. Na podstawie swoich eksperymentów z indukcją w poruszających się przewodnikach Faraday wyprowadził związek między biegunem magnesu, poruszającym się przewodnikiem i kierunkiem indukowanego prądu, tj. „prawem rządzącym wytwarzaniem elektryczności poprzez indukcję magnetoelektryczną”. W wyniku swoich badań Faraday ustalił, że „zdolność indukowania prądów objawia się w okręgu wokół wypadkowej magnetycznej lub osi siły dokładnie w ten sam sposób, w jaki magnetyzm umiejscowiony wokół okręgu powstaje wokół prądu elektrycznego i jest przez niego wykrywany” *.

* (M. Faradaya, Badania eksperymentalne w zakresie elektryczności, tom I, wyd. Akademia Nauk ZSRR, 1947, s. 57.)

Innymi słowy, wirowe pole elektryczne powstaje wokół przemiennego strumienia magnetycznego, tak jak wirowe pole magnetyczne powstaje wokół prądu elektrycznego. Ten fundamentalny fakt został podsumowany przez Maxwella w postaci dwóch równań pola elektromagnetycznego.

Druga seria „Badań”, rozpoczęta 12 stycznia 1832 r., poświęcona jest także badaniu zjawisk indukcji elektromagnetycznej, zwłaszcza indukcyjnego działania ziemskiego pola magnetycznego. Faradaya poświęca trzecią serię, rozpoczętą 10 stycznia 1833 r. , po wykazanie tożsamości różnych rodzajów elektryczności: elektrostatycznej, galwanicznej, zwierzęcej, magnetoelektrycznej (tj. otrzymywanej poprzez indukcję elektromagnetyczną). Faraday dochodzi do wniosku, że energia elektryczna uzyskana różnymi metodami jest jakościowo taka sama, różnica w działaniu jest jedynie ilościowa. To zadało ostateczny cios koncepcji różnych „płynów” elektryczności żywicy i szkła, galwanizacji, elektryczności zwierzęcej. Energia elektryczna okazała się pojedynczą, ale polarną jednostką.

Bardzo ważna jest piąta seria Badań Faradaya, rozpoczęta 18 czerwca 1833 r. Tutaj Faradaya rozpoczyna swoje badania nad elektrolizą, które doprowadziły go do ustalenia słynnych praw noszących jego imię. Badania te były kontynuowane w serii siódmej, rozpoczętej 9 stycznia 1834 roku. W tej ostatniej serii Faraday proponuje nową terminologię: proponuje nazwać bieguny dostarczające prąd do elektrolitu elektrody, zadzwoń do elektrody dodatniej anoda, i negatywne - katoda, cząsteczki osadzonej substancji trafiają do anody, którą nazywa aniony, i cząstki kierowane do katody kationy. Co więcej, jest on właścicielem tych warunków elektrolit dla substancji ulegających rozkładowi, jony I odpowiedniki elektrochemiczne. Wszystkie te terminy są mocno ugruntowane w nauce. Z praw, które odkrył, Faraday wyciąga prawidłowy wniosek, że o niektórych możemy mówić ilość absolutna elektryczność związana z atomami zwykłej materii. „Chociaż nie wiemy nic o atomie” – pisze Faraday – „mimowolnie wyobrażamy sobie jakąś małą cząsteczkę, która pojawia się w naszym umyśle, gdy o niej myślimy; jednakże w tej samej lub nawet większej niewiedzy co w odniesieniu do elektryczności, nie jesteśmy nawet w stanie powiedzieć, czy reprezentuje to specjalną materię lub sprawy, czy po prostu ruch zwykłej materii, czy też jakąś inną formę siły lub czynnika; niemniej jednak istnieje ogromna liczba faktów, które każą nam sądzić, że atomy materia jest w jakiś sposób wyposażona w siły elektryczne lub z nimi połączona i to im zawdzięczają swoje najbardziej niezwykłe właściwości, w tym wzajemne powinowactwo chemiczne.”

* (M. Faradaya, Badania eksperymentalne w zakresie elektryczności, tom I, wyd. Akademia Nauk ZSRR, 1947, s. 335.)

W ten sposób Faraday jasno wyraził ideę „elektryfikacji” materii, atomowej struktury elektryczności i atomu elektryczności, czyli, jak to ujął Faraday, „absolutnej ilości energii elektrycznej”, okazuje się Być „tak samo zdecydowany w swoim działaniu, jak każdy te ilości które pozostając połączone z cząsteczkami materii, przekazują im swoje powinowactwo chemiczne.” Elementarny ładunek elektryczny, jak pokazał dalszy rozwój fizyki, rzeczywiście można wyznaczyć na podstawie praw Faradaya.

Bardzo ważna była dziewiąta seria Studiów Faradaya. Seria ta, rozpoczęta 18 grudnia 1834 roku, dotyczyła zjawiska samoindukcji z dodatkowymi prądami zamykania i otwierania. Faraday opisując te zjawiska wskazuje, że chociaż mają one cechy bezwładność, Jednak zjawisko samoindukcji odróżnia się od bezwładności mechanicznej tym, że od nich zależą formy konduktor. Faraday zauważa, że „ekstrakt jest identyczny z… prądem indukowanym”*. W rezultacie Faraday rozwinął koncepcję bardzo szerokiego znaczenia procesu indukcji. W jedenastej serii swoich studiów, rozpoczętej 30 listopada 1837 roku, stwierdza: „Indukcja odgrywa najogólniejszą rolę we wszystkich zjawiskach elektrycznych, pozornie uczestniczy w każdym z nich i faktycznie nosi cechy pierwszego i istotnego zasada" ** . W szczególności, według Faradaya, każdy proces ładowania jest procesem indukcyjnym, offsety przeciwne ładunki: "substancje nie mogą być ładowane bezwzględnie, lecz jedynie względnie, zgodnie z prawem identycznym z indukcją. Każdy ładunek opiera się na indukcji. Wszystkie zjawiska Napięcie obejmują początek indukcji” ***. Znaczenie tych twierdzeń Faradaya jest takie, że każdemu polu elektrycznemu („zjawisku napięciowemu” – w terminologii Faradaya) koniecznie towarzyszy proces indukcji w ośrodku („przemieszczenie” – w późniejszej teorii Maxwella Terminologia). Proces ten jest determinowany właściwościami ośrodka, jego „zdolnością indukcyjną” w terminologii Faradaya lub „stałą dielektryczną” we współczesnej terminologii. Eksperymenty Faradaya z kondensatorem sferycznym określiły stałą dielektryczną szeregu substancji o względem powietrza.Eksperymenty te utwierdziły w przekonaniu Faradaya o zasadniczej roli ośrodka w procesach elektromagnetycznych.

* (M. Faradaya, Badania eksperymentalne w zakresie elektryczności, tom I, wyd. Akademia Nauk ZSRR, 1947, s. 445.)

** (M. Faradaya, Badania eksperymentalne w zakresie elektryczności, tom I, wyd. Akademia Nauk ZSRR, 1947, s. 478.)

*** (M. Faradaya, Badania eksperymentalne w zakresie elektryczności, tom I, wyd. Akademia Nauk ZSRR, 1947, s. 487.)

Prawo indukcji elektromagnetycznej zostało znacząco rozwinięte przez rosyjskiego fizyka z Akademii Petersburskiej Emilie Christianovich Lentz(1804-1865). 29 listopada 1833 roku Lenz zgłosił Akademii Nauk swoje badania „O wyznaczaniu kierunku prądów galwanicznych wzbudzanych przez indukcję elektrodynamiczną”. Lenz wykazał, że indukcja magnetoelektryczna Faradaya jest ściśle powiązana z siłami elektromagnetycznymi Ampera. „Pozycja, w której zjawisko magnetoelektryczne zostaje zredukowane do elektromagnetycznego, jest następująca: jeśli metalowy przewodnik zbliży się do prądu galwanicznego lub magnesu, wówczas prąd galwaniczny zostanie w nim wzbudzony w takim kierunku, że gdyby przewodnik był nieruchomy, prąd mógłby spowodować jego ruch w przeciwnym kierunku; zakłada się, że przewodnik w spoczynku może poruszać się tylko w kierunku ruchu lub w kierunku przeciwnym”*.

* (E. H. Lenz, Dzieła wybrane, wyd. Akademia Nauk ZSRR, 1950, s. 148-149.)

Ta zasada Lenza ujawnia energetykę procesów indukcyjnych i odegrała ważną rolę w pracach Helmholtza nad ustaleniem prawa zachowania energii. Sam Lenz wyprowadził ze swojej reguły dobrze znaną w elektrotechnice zasadę odwracalności maszyn elektromagnetycznych: jeśli obracasz cewkę między biegunami magnesu, wytwarza ona prąd; wręcz przeciwnie, jeśli zostanie do niego wysłany prąd, będzie się obracał. Silnik elektryczny można przekształcić w generator i odwrotnie. Badając działanie maszyn magnetoelektrycznych, Lenz odkrył reakcję twornika w 1847 roku.

W latach 1842-1843 Lenz stworzył klasyczne studium „O prawach wydzielania ciepła przez prąd galwaniczny” (sprawozdanie z 2 grudnia 1842 r., opublikowane w 1843 r.), które rozpoczął na długo przed podobnymi eksperymentami Joule'a (raport Joule'a ukazał się w październiku 1841 r.) i kontynuował je pomimo publikację Joule, „ponieważ eksperymenty tego ostatniego mogą spotkać się z pewnymi uzasadnionymi zastrzeżeniami, jak wykazał już nasz kolega, pan akademik Hess” *. Lenz mierzy wielkość prądu za pomocą kompasu stycznego, urządzenia wynalezionego przez profesora z Helsingfors Johanna Nervandera (1805-1848) i w pierwszej części swojego przesłania bada to urządzenie. W drugiej części, zatytułowanej „Uwalnianie ciepła w przewodach”, opublikowanej 11 sierpnia 1843 r., dochodzi do swojego słynnego prawa:

Nagrzewanie drutu prądem galwanicznym jest proporcjonalne do rezystancji drutu.
Nagrzewanie drutu prądem galwanicznym jest proporcjonalne do kwadratu prądu użytego do nagrzania**.

* (E. H. Lenz, Dzieła wybrane, wyd. Akademia Nauk ZSRR, 1950, s. 361.)

** (E. H. Lenz, Dzieła wybrane, wyd. Akademia Nauk ZSRR, 1950, s. 441.)

Prawo Joule'a-Lenza odegrało ważną rolę w ustaleniu prawa zachowania energii. Cały rozwój nauki o zjawiskach elektrycznych i magnetycznych doprowadził do idei jedności sił natury, do idei zachowania tych „sił”.

Niemal jednocześnie z Faradaya indukcję elektromagnetyczną zaobserwował amerykański fizyk Józef Henryk(1797-1878). Henry wykonał duży elektromagnes (1828), który zasilany ogniwem galwanicznym o niskiej rezystancji wytrzymywał obciążenie 2000 funtów. Faraday wspomina o tym elektromagnesie i zwraca uwagę, że przy jego pomocy można uzyskać silną iskrę po otwarciu.

Henryk jako pierwszy zaobserwował zjawisko samoindukcji (1832), a jego priorytet wyznacza nazwa jednostki samoindukcji „Henryk”.

W 1842 roku założył Henryk charakter oscylacyjny Typ słoika Leyden. Cienka szklana igła, za pomocą której badał to zjawisko, została namagnesowana różnymi biegunami, natomiast kierunek wyładowania pozostał niezmieniony. „Wyładowanie, niezależnie od jego charakteru” – konkluduje Henry – „nie wydaje się (stosując teorię Franklina – P.K.) jako pojedyncze przeniesienie nieważkiego płynu z jednej płyty na drugą; odkryte zjawisko zmusza nas do założenia istnienia głównego wyładowanie w jednym kierunku, a następnie kilka dziwnych ruchów tam i z powrotem, każdy słabszy od poprzedniego, aż do osiągnięcia równowagi.

Zjawiska indukcji stają się wiodącym tematem badań fizycznych. W 1845 niemiecki fizyk Franza Neumanna(1798-1895) podali wyrażenie matematyczne prawo indukcji, podsumowując badania Faradaya i Lenza.

Elektromotoryczna siła indukcji została wyrażona przez Neumanna w postaci pochodnej czasowej pewnej funkcji indukującej prąd oraz wzajemnej konfiguracji oddziałujących prądów. Neumann nazwał tę funkcję potencjał elektrodynamiczny. Znalazł także wyrażenie na współczynnik wzajemnej indukcji. W swoim eseju „O zachowaniu siły” z 1847 r. Helmholtz wyprowadził wyrażenie Neumanna określające prawo indukcji elektromagnetycznej na podstawie rozważań dotyczących energii. W tej samej pracy Helmholtz stwierdza, że wyładowanie kondensatora to „nie... zwykły ruch prądu elektrycznego w jednym kierunku, ale... jego przepływ w jednym lub drugim kierunku pomiędzy dwiema płytkami w postaci oscylacji, które stają się coraz mniej, aż w końcu cała siła życiowa zostanie zniszczona przez sumę oporów.”

W 1853 r Williama Thomsona(1824-1907) podał matematyczną teorię wyładowania oscylacyjnego kondensatora i ustalił zależność okresu oscylacji od parametrów obwodu oscylacyjnego (wzór Thomsona).

W 1858 r P. Blazerna(1836-1918) zarejestrowali eksperymentalnie krzywą rezonansową oscylacji elektrycznych, badając wpływ obwodu indukującego wyładowanie, zawierającego zestaw kondensatorów i łączącego przewody z obwodem bocznym, o zmiennej długości indukowanego przewodnika. Również w 1858 r Wilhelma Feddersena(1832-1918) zaobserwował wyładowanie iskrowe słoika lejdeńskiego w obracającym się zwierciadle, a w 1862 sfotografował obraz wyładowania iskrowego w obracającym się zwierciadle. W ten sposób wyraźnie ustalono oscylacyjny charakter wyładowania. Jednocześnie wzór Thomsona został przetestowany eksperymentalnie. I tak, krok po kroku, doktryna wibracje elektryczne, stanowiące naukową podstawę elektrotechniki i radiotechniki prądu przemiennego.

Do tej pory rozważaliśmy pola elektryczne i magnetyczne, które nie zmieniają się w czasie. Stwierdzono, że pole elektryczne tworzą ładunki elektryczne, a pole magnetyczne – ładunki ruchome, czyli prąd elektryczny. Przejdźmy do zapoznania się z polami elektrycznymi i magnetycznymi, które zmieniają się w czasie.

Najważniejszym odkrytym faktem jest ścisły związek pomiędzy polami elektrycznymi i magnetycznymi. Zmienne w czasie pole magnetyczne generuje pole elektryczne, a zmienne pole elektryczne generuje pole magnetyczne. Bez tego połączenia między polami różnorodność przejawów sił elektromagnetycznych nie byłaby tak rozległa, jak jest w rzeczywistości. Nie byłoby fal radiowych ani światła.

To nie przypadek, że pierwszy, decydujący krok w odkryciu nowych właściwości oddziaływań elektromagnetycznych wykonał twórca koncepcji pola elektromagnetycznego – Faradaya. Faraday był przekonany o jednolitej naturze zjawisk elektrycznych i magnetycznych. Dzięki temu dokonał odkrycia, które później stało się podstawą do zaprojektowania generatorów dla wszystkich elektrowni na świecie, przetwarzających energię mechaniczną na energię elektryczną. (Inne źródła: ogniwa galwaniczne, baterie itp. - zapewniają znikomy udział w wytwarzanej energii.)

Prąd elektryczny, rozumował Faraday, może namagnesować kawałek żelaza. Czy magnes z kolei nie mógłby wywołać prądu elektrycznego?

Przez długi czas nie udało się odkryć tego połączenia. Trudno było zrozumieć najważniejsze, a mianowicie: tylko ruchomy magnes lub zmienne w czasie pole magnetyczne może wzbudzić prąd elektryczny w cewce.

Poniższy fakt pokazuje, jakie wypadki mogły uniemożliwić odkrycie. Niemal jednocześnie z Faradaya szwajcarski fizyk Colladon próbował wytworzyć prąd elektryczny w cewce za pomocą magnesu. Podczas pracy posługiwał się galwanometrem, którego lekką igłę magnetyczną umieszczono wewnątrz cewki urządzenia. Aby magnes nie oddziaływał bezpośrednio na igłę, końce cewki, w którą Colladon wepchnął magnes w nadziei, że otrzyma w nim prąd, przeniesiono do sąsiedniego pomieszczenia i tam podłączono do galwanometru. Po włożeniu magnesu do cewki Colladon wszedł do sąsiedniego pokoju i z rozczarowaniem powiedział:

Upewniłem się, że galwanometr nie wskazuje prądu. Gdyby tylko musiał cały czas obserwować galwanometr i poprosić kogoś o pracę nad magnesem, dokonanoby niezwykłego odkrycia. Ale tak się nie stało. Magnes pozostający względem cewki nie wytwarza w nim prądu.

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej polega na występowaniu prądu elektrycznego w obwodzie przewodzącym, który albo pozostaje w spoczynku w zmiennym w czasie polu magnetycznym, albo porusza się w stałym polu magnetycznym w taki sposób, że liczba linii indukcji magnetycznej przechodzących przez zmiany obwodu. Odkryto go 29 sierpnia 1831 roku. Rzadko zdarza się, aby data nowego niezwykłego odkrycia była znana tak dokładnie. Oto opis pierwszego eksperymentu podany przez samego Faradaya:

„Drut miedziany o długości 203 stóp został nawinięty na szeroką drewnianą szpulę, a pomiędzy jego zwojami nawinięty został drut o tej samej długości, ale od pierwszego izolowany bawełnianą nitką. Jedna z tych spiral była podłączona do galwanometru, a druga do mocnej baterii składającej się ze 100 par płytek... Kiedy obwód został zamknięty, zauważono nagłe, ale niezwykle słabe działanie na galwanometrze i to samo zaobserwowano, gdy prąd ustał. Przy ciągłym przepływie prądu przez jedną ze spiral nie można było zauważyć ani wpływu na galwanometr, ani żadnego efektu indukcyjnego na drugiej spirali, mimo że nagrzewanie całej spirali podłączonej do akumulatora a jasność iskry przeskakującej pomiędzy węglami wskazywała moc baterii” (Faradaya M. „Experimental Research in Electricity”, seria 1).

Tak więc początkowo indukcję odkryto w przewodnikach, które pozostają nieruchome względem siebie podczas zamykania i otwierania obwodu. Następnie, doskonale rozumiejąc, że przybliżanie lub oddalanie przewodników z prądem powinno prowadzić do tego samego rezultatu, co zamykanie i otwieranie obwodu, Faraday udowodnił eksperymentalnie, że prąd powstaje, gdy cewki poruszają się względem siebie.

odnośnie przyjaciela. Zaznajomiony z pracami Ampere'a Faraday zrozumiał, że magnes to zbiór małych prądów krążących w cząsteczkach. Jak zanotował w swoim notatniku laboratoryjnym, 17 października w cewce podczas wsuwania (lub wyciągania) magnesu wykryto prąd indukowany. W ciągu miesiąca Faraday eksperymentalnie odkrył wszystkie istotne cechy zjawiska indukcji elektromagnetycznej.

Obecnie każdy może powtórzyć eksperymenty Faradaya. Aby to zrobić, musisz mieć dwie cewki, magnes, baterię elementów i dość czuły galwanometr.

W instalacji pokazanej na rysunku 238 prąd indukcyjny pojawia się w jednej z cewek, gdy obwód elektryczny innej cewki, nieruchomej względem pierwszej, jest zamknięty lub otwarty. W instalacji pokazanej na rysunku 239 natężenie prądu w jednej z cewek zmienia się za pomocą reostatu. Na ryc. 240, a prąd indukcyjny pojawia się, gdy cewki poruszają się względem siebie, a na ryc. 240, b - gdy magnes trwały porusza się względem cewki.

Sam Faraday zrozumiał już ogólną rzecz, od której zależy pojawienie się prądu indukcyjnego w eksperymentach, które na zewnątrz wyglądają inaczej.

W zamkniętym obwodzie przewodzącym prąd powstaje, gdy zmienia się liczba linii indukcji magnetycznej przebijających obszar ograniczony tym obwodem. Im szybciej zmienia się liczba linii indukcji magnetycznej, tym większy jest wynikowy prąd indukcyjny. W tym przypadku przyczyna zmiany liczby linii indukcji magnetycznej jest całkowicie obojętna. Może to być zmiana liczby linii indukcji magnetycznej penetrujących obszar stacjonarnego obwodu przewodzącego na skutek zmiany natężenia prądu w sąsiedniej cewce (ryc. 238) lub zmiana liczby linii indukcyjnych na skutek do ruchu obwodu w niejednorodnym polu magnetycznym, którego gęstość linii zmienia się w przestrzeni (ryc. 241).

W 1821 roku Michael Faraday napisał w swoim dzienniku: „Przemień magnetyzm na elektryczność”. Po 10 latach rozwiązał ten problem.
Odkrycie Faradaya
To nie przypadek, że pierwszy i najważniejszy krok w odkryciu nowych właściwości oddziaływań elektromagnetycznych wykonał twórca koncepcji pola elektromagnetycznego – Faradaya. Faraday był przekonany o jednolitej naturze zjawisk elektrycznych i magnetycznych. Wkrótce po odkryciu Oersteda napisał: „...wydaje się bardzo niezwykłe, że z jednej strony każdemu prądowi elektrycznemu towarzyszy działanie magnetyczne o odpowiednim natężeniu, skierowane pod kątem prostym do prądu, a z drugiej strony , w dobrych przewodnikach prądu elektrycznego umieszczonych w strefie tego działania, w ogóle nie indukował się prąd, nie powstało żadne namacalne działanie o sile odpowiadającej takiemu prądowi. Ciężka praca przez dziesięć lat i wiara w sukces doprowadziły Faradaya do odkrycia, które później stało się podstawą do zaprojektowania generatorów dla wszystkich elektrowni na świecie, przetwarzających energię mechaniczną na energię elektryczną. (Źródła działające na innej zasadzie: ogniwa galwaniczne, akumulatory, ogniwa termiczne i fotokomórki - zapewniają znikomy udział w wytwarzanej energii elektrycznej.)
Przez długi czas nie udało się odkryć związku pomiędzy zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi. Trudno było zrozumieć najważniejsze: tylko zmienne w czasie pole magnetyczne może wzbudzić prąd elektryczny w nieruchomej cewce lub sama cewka musi poruszać się w polu magnetycznym.
Odkrycie indukcji elektromagnetycznej, jak Faradaya nazwał to zjawisko, miało miejsce 29 sierpnia 1831 r. Jest to rzadki przypadek, gdy data nowego niezwykłego odkrycia jest tak dokładnie znana. Oto krótki opis pierwszego eksperymentu podanego przez Faradaya samego siebie.
„Drut miedziany o długości 203 stóp został nawinięty na szeroką drewnianą szpulę, a pomiędzy jego zwojami nawinięty został drut o tej samej długości, ale od pierwszego izolowany bawełnianą nicią. Jedna z tych spiral była podłączona do galwanometru, a druga do mocnej baterii składającej się ze 100 par płytek... Po zamknięciu obwodu zauważono nagłe, ale niezwykle słabe działanie na galwanometr, to samo zaobserwowano, gdy prąd ustał. Przy ciągłym przepływie prądu przez jedną ze spiral nie można było zauważyć ani wpływu na galwanometr, ani w ogóle żadnego efektu indukcyjnego na drugiej spirali, czego nie można było zaobserwować 5.1
zauważając, że nagrzanie całej cewki podłączonej do akumulatora i jasność iskry przeskakującej pomiędzy węglami wskazywały moc akumulatora.”
Tak więc początkowo indukcję odkryto w przewodnikach, które pozostają nieruchome względem siebie podczas zamykania i otwierania obwodu. Następnie, doskonale rozumiejąc, że przybliżanie lub oddalanie przewodników z prądem powinno prowadzić do tego samego rezultatu, co zamykanie i otwieranie obwodu, Faraday udowodnił eksperymentalnie, że prąd powstaje, gdy cewki poruszają się względem siebie (ryc. 5.1). Zaznajomiony z pracami Ampere'a Faraday zrozumiał, że magnes to zbiór małych prądów krążących w cząsteczkach. Jak zanotował w swoim notatniku laboratoryjnym, 17 października w cewce podczas wsuwania (lub wyciągania) magnesu wykryto prąd indukowany (rysunek 5.2). W ciągu miesiąca Faraday eksperymentalnie odkrył wszystkie istotne cechy zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Pozostało jedynie nadać prawu ścisłą formę ilościową i całkowicie ujawnić fizyczną naturę zjawiska.
Sam Faraday zrozumiał już ogólną rzecz, od której zależy pojawienie się prądu indukcyjnego w eksperymentach, które na zewnątrz wyglądają inaczej.
W zamkniętym obwodzie przewodzącym prąd powstaje, gdy zmienia się liczba linii indukcji magnetycznej penetrujących powierzchnię ograniczoną tym obwodem. Im szybciej zmienia się liczba linii indukcji magnetycznej, tym większy powstaje prąd. W tym przypadku przyczyna zmiany liczby linii indukcji magnetycznej jest całkowicie obojętna. Może to być zmiana liczby linii indukcji magnetycznej przebijającej nieruchomy przewodnik na skutek zmiany natężenia prądu w sąsiedniej cewce lub zmiana liczby linii na skutek ruchu obwodu w nierównomiernym pole magnetyczne, którego gęstość linii zmienia się w przestrzeni (ryc. 5.3).
Faraday nie tylko odkrył to zjawisko, ale także jako pierwszy skonstruował jeszcze niedoskonały model generatora prądu elektrycznego, który przetwarza mechaniczną energię obrotową na prąd. Był to masywny miedziany dysk obracający się pomiędzy biegunami silnego magnesu (ryc. 5.4). Łącząc oś i krawędź dysku z galwanometrem, Faraday odkrył odchylenie
W
\

\
\
\
\
\
\
\L

Strzałka S skierowana. Prąd był jednak słaby, ale odkryta zasada umożliwiła późniejsze zbudowanie potężnych generatorów. Bez nich prąd nadal byłby luksusem dostępnym dla nielicznych.
Prąd elektryczny powstaje w przewodzącej pętli zamkniętej, jeśli pętla znajduje się w zmiennym polu magnetycznym lub porusza się w polu stałym w czasie, tak że zmienia się liczba linii indukcji magnetycznej przechodzących przez pętlę. Zjawisko to nazywa się indukcją elektromagnetyczną.

Przykładem może być pytanie. W tym kontekście można mówić o tabu. Są pewne obszary, które dla większości będą tematem tabu, co nie znaczy, że nie będzie jednego, trzech, trzech naukowców, którzy z ludzką ciekawością zajmą się tym zjawiskiem.

Te warunki społeczne sprawiają, że większość ludzi nie jest tym zainteresowana. R: I to jest tylko pytanie. Na przykładzie przymiarki widać także obawę, że nie zostanie się zdyskredytowanym. Dr Marek Spira: Dziś staramy się przełamywać wszelkie tabu. Z jednej strony jest to poznanie prawdy, a z drugiej poszanowanie pewnych wartości, których obalenie prowadzi jedynie do zniszczenia porządku społecznego. Ludzka ciekawość jest tak wielka, że przekracza wszelkie granice. Człowiek z natury nie lubi tabu. I w tym sensie pragnienie prawdy nie zna granic, które oczywiście istnieją, ale stale się przesuwają.

Wraz z genialnym odkryciem Faradaya rozpoczyna się nowy okres w rozwoju nauk fizycznych Indukcja elektromagnetyczna. To właśnie w tym odkryciu wyraźnie zademonstrowano zdolność nauki do wzbogacania technologii o nowe pomysły. Sam Faraday już na podstawie swojego odkrycia przewidział istnienie fal elektromagnetycznych. 12 marca 1832 r. zapieczętował kopertę z napisem „Nowe poglądy należy na razie przechowywać w zapieczętowanej kopercie w archiwach Towarzystwa Królewskiego”. Kopertę tę otwarto w 1938 roku. Okazało się, że Faraday dość wyraźnie rozumiał, że oddziaływania indukcyjne rozchodzą się ze skończoną prędkością w sposób falowy. „Wierzę, że możliwe jest zastosowanie teorii oscylacji do propagacji indukcji elektrycznej” – napisał Faraday. Jednocześnie wskazał, że „rozprzestrzenianie się oddziaływania magnetycznego wymaga czasu, to znaczy, gdy magnes oddziałuje na inny, odległy magnes lub kawałek żelaza, przyczyna wpływająca (którą ośmielę się nazwać magnetyzmem) rozprzestrzenia się stopniowo z ciał magnetycznych i wymaga pewnego czasu na jego propagację”, co oczywiście będzie bardzo nieznaczne. Uważam też, że indukcja elektryczna rozchodzi się dokładnie w ten sam sposób. Uważam, że rozchodzenie się sił magnetycznych od bieguna magnetycznego jest podobne do drgań naruszoną powierzchnię wody lub na dźwięk wibracji cząsteczek powietrza.”

Rodzi to pytanie, czy kiedykolwiek poznamy pełną prawdę. Znając naturę człowieka, możemy powiedzieć, że choć jest to niemożliwe, zawsze będziemy do tego dążyć. Istnieje jednak niebezpieczeństwo, że zignorujemy tę tajemnicę. Będąc na pewnym etapie wiedzy, możemy stwierdzić, że wiemy już wszystko. Tymczasem nadchodzi katastrofa i pojawia się pytanie, jak możemy jej pozwolić odejść? Być może było to spowodowane zaniedbaniem sił natury, sił natury. Przykładem może być wynalazca komputera, który w ubiegłym stuleciu wierzył, że zdobywanie wiedzy w komputerze będzie nieograniczone.

Wiele lat po tym odkryciu, w przypadku dzisiejszych laptopów, był to błąd. Jak zakres naszej niewiedzy wzrósł wraz ze wzrostem liczby pytań. My, fizycy, boimy się Ziemi. Załóżmy, że chcemy polecieć do galaktyki oddalonej o kilka lat świetlnych od Ziemi. Ponieważ nie możemy zbudować statku kosmicznego poruszającego się szybciej niż prędkość światła, dotarcie do tej galaktyki nie zajmie jednego pokolenia astronautów. Choć podróż kosmiczną może sobie wyobrazić wiele pokoleń astronautów, jest to możliwe jedynie w science fiction.

To właśnie te stałe, znane nam dzisiaj, wyznaczają granice wiedzy. Jeśli weźmiemy pod uwagę Wielki Wybuch, musimy pamiętać, że nasza wiedza nie dochodzi jeszcze do punktu, w którym gęstość materii byłaby nieporównywalna z tą, z którą mamy do czynienia dzisiaj, a której nie jesteśmy w stanie odtworzyć w naszych warunkach.

Nie znamy tej „wybuchowej” fizyki, więc nie znamy tych stałych fizycznych, jeśli istniały. N.: Nie mamy też pewności, czy dzisiejsza fizyka jest ostateczna. Mieliśmy Newtona, który później był testowany przez Einsteina, więc możemy stwierdzić, że Einstein będzie testowany przez kogoś innego.

Na tej podstawie stworzono szczególną teorię względności, która została już wielokrotnie potwierdzona eksperymentalnie. Jeśli jednak któryś z tych paradygmatów zawiedzie, będziemy mieli nową fizykę. Jeśli mówimy, że znamy wszechświat, naturę, że wiemy, że to już kiedyś miało miejsce, to mówimy tak, ponieważ wskazane stałe fizyczne nie zmieniają swoich wartości w czasie. Eksperymenty próbujące podważyć te ciała stałe – oraz sposób i sposób ich przeprowadzania – nie są przekonujące.

Właściwie można powiedzieć, że od pewnego momentu wiemy, że prawa fizyczne rządzące Wszechświatem się nie zmieniły – te stałe są nadal takie same. Czy są sekrety, z którymi nie chcemy się zmierzyć? Kant mówił o dwóch typach metafizyki – metafizyce jako nauce, która nie istnieje, oraz metafizyce jako naturalnej tendencji, która każe łamać tabu.

Istnieją ograniczenia, ale ludzki umysł ma naturalną potrzebę zadawania pytań, na które nie można odpowiedzieć empirycznie. Znalezienie go nie jest luksusem, ale obowiązkiem człowieka. Kiedyś panowało przekonanie, że zbyt duża ciekawość oddala nas od Boga. Sami stworzyliśmy tabu – Boga nie można poznać, bo stracimy wiarę. Osobom autentycznym, które cieszą się szacunkiem, darzy się przede wszystkim zaufaniem, a ich pokora uwarunkowana jest kontekstem kulturowym. Wykształcony człowiek zaczął odchodzić od Boga, twierdząc, że nie uwierzy w ten „przesąd”.

Było wiele nieporozumień, bo czasami nie ceniliśmy poszukiwania prawdy. Chrześcijaństwo nigdy oficjalnie nie głosiło takiej formuły, gdyż wiara potrzebuje pomocy rozumu, aby poznać prawdę, a nawet spierać się z Panem Bogiem. Czy naprawdę możemy go poznać? To kolejny problem, ale nie zwalnia nas to od odpowiedzialności za ciągłe poszukiwania, bo mamy ku temu powód. Kościół dzisiaj powtarza, że między wiarą a rozumem nie ma sprzeczności. Nawet jeśli pokona niektóre dogmaty?

P.: Nie musimy się bać, rozum nie może unieważnić żadnego dogmatu, a jeśli tak się stanie, to znaczy, że nie mamy do czynienia z dogmatem, ale z ludzką formułą bez zasłonięcia. Powodem jest niszczenie kłamstw, ale prawda nigdy nie zawodzi. Wiemy to z historii Kościoła, choć było to bardzo trudne, Kościołowi udało się oczyścić z kłamstw i jesteśmy z tego dumni.

Ilustracją może być przykład relacji pomiędzy załogą dwóch statków kosmicznych, po powrocie załogi jednego z nich powiedziano: Boga nie ma, a drugi jest tak piękny, że może go stworzyć tylko Bóg. Jeśli więc w ogóle istnieje tabu, to ma ono charakter tymczasowy, wynikający z uwarunkowań kulturowych i społecznych, a które wynikają głównie z obawy przed zajęciem się czymś ryzykownym w postaci utraty pozycji naukowej. To magiczne słowo – organizacja – ma swoje źródło, pozostaje pytanie – jakie?

Dlatego Bóg zna rzeczy takimi, jakie są, a my jesteśmy tacy, jacy są. R: Możesz się ze mną nie zgodzić, ale coś, czego nie można zweryfikować eksperymentalnie, zawsze będzie trudniejsze do zaakceptowania. Zwłaszcza w dziedzinie fizyki. N.: Ten sam Kant mówi: Mam ograniczoną wiedzę, aby zrobić miejsce wierze. Tam, gdzie są granice wiedzy, zaczyna się moja wiara.

N: Powody tego naukowca są następujące: wszystkie dowody na istnienie Boga były fałszywe, więc Boga nie ma. Tymczasem testuje się jedynie metodologię w następujący sposób: wszystkie dowody na istnienie Boga były fałszywe, ale nie można było wyciągnąć żadnych wniosków na temat jego istnienia ani jego istnienia. A to już naprawdę wykracza poza zakres, ale tu też pojawia się ogromny problem – właściwa metodologia badań: dobra czy zła, dotyczy to każdej dziedziny, czy to fizyki, astronomii, filozofii czy teologii.

Dlaczego służy odkrywaniu tajemnic – naturalnej potrzebie pogłębiania wiedzy, postępu czy zaspokajania subiektywnych potrzeb poszczególnych badaczy? Widać to na przykładzie nieskrępowanego tzw. podstawowe badania. Ich naturą jest odkrywanie tajemnic natury, niezależnie od częstych bodźców do ich natychmiastowego wykorzystania. Kiedy Faraday odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej, zapytano go, jak by to było mieć ludzkość?

Powiedział wymijająco, że prawdopodobnie zapłacicie podatki i nie zajmiecie się naukową stroną odkrycia. Jego subiektywną potrzebą była chęć wiedzy i płynąca z niej satysfakcja. Wydaje mi się, że wykorzystywanie użyteczności badania nie jest uzasadnione.

Do każdego otwarcia trzeba być dobrze przygotowanym. Za każdym odkryciem, nawet tzw. katastrofą medialną, kryje się ogromna wiedza i doświadczenie badacza. Tylko wielka wiedza, wyobraźnia i wyjście poza tradycyjne ramy badań naukowych pozwala nam zobaczyć coś nowego, nowego, nieznanego, a potem zwanego odkryciem. Kopernika potępiano nie dlatego, że go nie lubił, bo np. pochodził z Torunia, ale dlatego, że nie rozumiał, że Biblii nie można czytać dosłownie. Często badacz spotyka się z wulgarnym podejściem do uczenia się, wiedzy i nieporozumień.

Czasem odkrywca wyprzedza swoją epokę, dopiero nowe pokolenie akceptuje jego odkrycie. Mamy dziś także naturalną tendencję do wygodnego układania świata w różnych kierunkach, abyśmy nie musieli myśleć tylko o konsumpcji. Przykładem jest James Clerk Maxwell, którego słynnym równaniem jest nasza cywilizacja; Bez nich trudno byłoby sobie wyobrazić dzisiejsze sukcesy i rozwój. Jednakże Maxwellowskie rozumienie mechanizmu propagacji elektromagnetycznej nie pasuje do dzisiejszej interpretacji tego zjawiska.

Ponadto Olivier Heaviside, inny naukowiec i matematyk, uczynił swoje wzory matematyczne i matematyczne bardzo przydatnymi. Oto przykład istoty i rodzaju ciągłości nauki: wielu naukowców, nawet tych „najmniejszych”, wnosi wkład w wiedzę powszechną. Czy nie jest to pocieszające w czasach kolejnego upokorzenia w świecie akademickim? Jakie tajemnice współczesnej nauki stoją przed największymi możliwościami badawczymi?

Naukowcy wciąż zastanawiają się, dlaczego ładunek protonu jest dodatni, a elektron ujemny? Jakie właściwości ma antymateria? Jak zachowuje się materiał, o którym wiadomo, że działa w bardzo wysokich temperaturach? Te pytania naprawdę mają znaczenie. Mówimy o temperaturach porównywalnych z temperaturą wewnętrzną Słońca. Jest to ogromny problem dla fizyków, bardzo ważny w kontekście poszukiwań nowych źródeł energii.

Aby zobrazować wagę tego problemu dla ludzkości, wystarczy podać jeden z szacunków. W sytuacji tak wielkiego postępu nauki, wykorzystania natury w służbie ludzkości, pozostaje problem człowieka, który jest coraz bardziej zagubiony. Zmiany zaczynają się zacierać. Nieznany rozwój nauki nie wpływa negatywnie na rozwój intelektualny społeczeństw, wręcz przeciwnie – mnożą się negatywne zjawiska, takie jak wtórny analfabetyzm.

* (M. Faradaya, Badania eksperymentalne w zakresie elektryczności, tom I, wyd. Akademia Nauk ZSRR, 1947, s. 335.)

* (M. Faradaya, Badania eksperymentalne w zakresie elektryczności, tom I, wyd. Akademia Nauk ZSRR, 1947, s. 445.)

** (M. Faradaya, Badania eksperymentalne w zakresie elektryczności, tom I, wyd. Akademia Nauk ZSRR, 1947, s. 478.)

*** (M. Faradaya, Badania eksperymentalne w zakresie elektryczności, tom I, wyd. Akademia Nauk ZSRR, 1947, s. 487.)

Prawo indukcji elektromagnetycznej zostało znacząco rozwinięte przez rosyjskiego fizyka z Akademii Petersburskiej Emilie Christianovich Lentz(1804-1865). 29 listopada 1833 roku Lenz zgłosił Akademii Nauk swoje badania „O wyznaczaniu kierunku prądów galwanicznych wzbudzanych przez indukcję elektrodynamiczną”. Lenz wykazał, że indukcja magnetoelektryczna Faradaya jest ściśle powiązana z siłami elektromagnetycznymi Ampera. „Pozycja, w której zjawisko magnetoelektryczne zostaje zredukowane do elektromagnetycznego, jest następująca: jeśli metalowy przewodnik zbliży się do prądu galwanicznego lub magnesu, wówczas prąd galwaniczny zostanie w nim wzbudzony w takim kierunku, że gdyby przewodnik był nieruchomy, prąd mógłby spowodować jego ruch w przeciwnym kierunku; przyjmuje się, że przewodnik będący w spoczynku może poruszać się jedynie w kierunku ruchu lub w kierunku przeciwnym”*.

* (E. H. Lenz, Dzieła wybrane, wyd. Akademia Nauk ZSRR, 1950, s. 148-149.)

Nagrzewanie drutu prądem galwanicznym jest proporcjonalne do rezystancji drutu.
Nagrzewanie drutu prądem galwanicznym jest proporcjonalne do kwadratu prądu użytego do nagrzania**.

* (E. H. Lenz, Dzieła wybrane, wyd. Akademia Nauk ZSRR, 1950, s. 361.)

** (E. H. Lenz, Dzieła wybrane, wyd. Akademia Nauk ZSRR, 1950, s. 441.)

Henryk jako pierwszy zaobserwował zjawisko samoindukcji (1832), a jego priorytet wyznacza nazwa jednostki samoindukcji „Henryk”.

Odpowiedź:

Kolejnym ważnym krokiem w rozwoju elektrodynamiki po eksperymentach Ampere'a było odkrycie zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej odkrył angielski fizyk Michael Faradaya (1791 - 1867).

Faraday, będąc jeszcze młodym naukowcem, podobnie jak Oersted, uważał, że wszystkie siły natury są ze sobą powiązane, a ponadto są w stanie przekształcać się w siebie. Co ciekawe, Faradaya wyraził tę myśl jeszcze przed ustanowieniem prawa zachowania i transformacji energii. Faraday wiedział o odkryciu Ampere'a, że, mówiąc w przenośni, zamienił elektryczność w magnetyzm. Zastanawiając się nad tym odkryciem, Faraday doszedł do wniosku, że jeśli „elektryczność tworzy magnetyzm”, to odwrotnie, „magnetyzm musi wytwarzać elektryczność”. A już w 1823 roku zapisał w swoim dzienniku: „Przekształć magnetyzm w elektryczność”. Przez osiem lat Faraday pracował nad rozwiązaniem problemu. Przez długi czas nękały go niepowodzenia, aż wreszcie w 1831 roku udało mu się je rozwiązać – odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

po pierwsze, Faraday odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej w przypadku, gdy cewki są nawinięte na ten sam bęben. Jeżeli w jednej cewce na skutek podłączenia lub odłączenia akumulatora galwanicznego pojawi się lub zaniknie prąd elektryczny, to w tej chwili w drugiej cewce pojawi się krótkotrwały prąd. Prąd ten jest wykrywany przez galwanometr podłączony do drugiej cewki.

Następnie Faraday stwierdził również obecność prądu indukowanego w cewce, gdy cewka, w której płynął prąd elektryczny, przybliżała się do niej lub oddalała.

wreszcie trzeci przypadek indukcji elektromagnetycznej, który odkrył Faradaya, polegał na tym, że w cewce pojawiał się prąd, gdy wprowadzano do niej lub usuwano z niej magnes.

Odkrycie Faradaya przyciągnęło uwagę wielu fizyków, którzy również zaczęli badać cechy zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Kolejnym zadaniem było ustalenie ogólnego prawa indukcji elektromagnetycznej. Należało dowiedzieć się, jak i od czego zależy siła prądu indukcyjnego w przewodniku lub od czego zależy wartość elektromotorycznej siły indukcji w przewodniku, w którym indukowany jest prąd elektryczny.

To zadanie okazało się trudne. Zostało to całkowicie rozwiązane później przez Faradaya i Maxwella w ramach opracowanej przez nich doktryny pola elektromagnetycznego. Ale fizycy również próbowali go rozwiązać, trzymając się powszechnej wówczas teorii działania dalekiego zasięgu w badaniu zjawisk elektrycznych i magnetycznych.

Tym naukowcom udało się coś zrobić. Jednocześnie pomogła im zasada odkryta przez petersburskiego akademika Emiliusa Christianovicha Lenza (1804–1865) dotycząca wyznaczania kierunku prądu indukcyjnego w różnych przypadkach indukcji elektromagnetycznej. Lenz sformułował to następująco: „Jeśli metalowy przewodnik porusza się w pobliżu prądu galwanicznego lub magnesu, to prąd galwaniczny jest w nim wzbudzany w takim kierunku, że gdyby przewodnik był nieruchomy, prąd mógłby spowodować jego poruszanie się w przeciwny kierunek; zakłada się, że przewodnik będący w spoczynku może poruszać się jedynie w kierunku ruchu lub w kierunku przeciwnym.”

Zasada ta jest bardzo wygodna przy określaniu kierunku indukowanego prądu. Nadal go używamy, tyle że teraz jest on sformułowany nieco inaczej, wraz z pogrzebaniem koncepcji indukcji elektromagnetycznej, której Lenz nie używał.

Ale historycznie rzecz biorąc, główne znaczenie reguły Lenza polegało na tym, że zrodziła ona pomysł, jak podejść do znalezienia prawa indukcji elektromagnetycznej. Faktem jest, że reguła atomowa ustanawia związek między indukcją elektromagnetyczną a zjawiskiem interakcji prądów. Kwestię interakcji prądów rozwiązał już Ampere. Dlatego ustalenie tego połączenia umożliwiło początkowo określenie wyrażenia elektromotorycznej siły indukcji w przewodniku dla szeregu specjalnych przypadków.

Ogólnie rzecz biorąc, prawo indukcji elektromagnetycznej, jak powiedzieliśmy, zostało ustalone przez Faradaya i Maxwella.

Indukcja elektromagnetyczna to zjawisko występowania prądu elektrycznego w obwodzie zamkniętym, gdy zmienia się przepływający przez niego strumień magnetyczny.

Indukcję elektromagnetyczną odkrył Michael Faradaya 29 sierpnia 1831 roku. Odkrył, że siła elektromotoryczna powstająca w zamkniętym obwodzie przewodzącym jest proporcjonalna do szybkości zmian strumienia magnetycznego przez powierzchnię ograniczoną tym obwodem. Wielkość siły elektromotorycznej (EMF) nie zależy od tego, co powoduje zmianę strumienia - zmiany samego pola magnetycznego lub ruchu obwodu (lub jego części) w polu magnetycznym. Prąd elektryczny wywołany przez ten emf nazywany jest prądem indukowanym.

Samoindukcja to występowanie indukowanego emf w zamkniętym obwodzie przewodzącym, gdy zmienia się prąd przepływający przez obwód.

Kiedy zmienia się prąd w obwodzie, strumień magnetyczny przez powierzchnię ograniczoną tym obwodem również zmienia się proporcjonalnie. Zmiana tego strumienia magnetycznego, wynikająca z prawa indukcji elektromagnetycznej, prowadzi do wzbudzenia indukcyjnego pola elektromagnetycznego w tym obwodzie.

Zjawisko to nazywa się samoindukcją. (Pojęcie to ma związek z pojęciem indukcji wzajemnej i jest jego przypadkiem szczególnym).

Kierunek pola elektromagnetycznego samoindukcji zawsze okazuje się taki, że gdy prąd w obwodzie wzrasta, pole elektromagnetyczne samoindukcyjne zapobiega temu wzrostowi (skierowane przeciw prądowi), a gdy prąd maleje, maleje (współkierowane z prądem). Ta właściwość samoindukcji emf jest podobna do siły bezwładności.

Powstanie pierwszego przekaźnika poprzedziło wynalezienie w 1824 roku przez Anglika Sturgeona elektromagnesu – urządzenia przetwarzającego wejściowy prąd elektryczny cewki drucianej nawiniętej na żelazny rdzeń na pole magnetyczne powstające wewnątrz i na zewnątrz tego rdzenia. Pole magnetyczne rejestrowano (wykrywano) poprzez jego wpływ na materiał ferromagnetyczny znajdujący się w pobliżu rdzenia. Materiał ten został przyciągnięty do rdzenia elektromagnesu.

Następnie efekt zamiany energii prądu elektrycznego na energię mechaniczną znaczącego ruchu zewnętrznego materiału ferromagnetycznego (kotwicy) stał się podstawą różnych urządzeń elektromechanicznych dla telekomunikacji (telegrafii i telefonii), elektrotechniki i energetyki. Jednym z pierwszych takich urządzeń był przekaźnik elektromagnetyczny, wynaleziony przez Amerykanina J. Henry'ego w 1831 roku.

Prawo indukcji elektromagnetycznej to wzór wyjaśniający powstawanie pola elektromagnetycznego w zamkniętej pętli przewodnika, gdy zmienia się natężenie pola magnetycznego. Postulat wyjaśnia działanie transformatorów, dławików i innych produktów wspierających współczesny rozwój technologii.

Historia Michaela Faradaya

Michael Faraday został usunięty ze szkoły wraz ze swoim starszym bratem z powodu wady wymowy. Odkrywca indukcji elektromagnetycznej krzyczał, irytując nauczyciela. Dała pieniądze na zakup kija i chłostę potencjalnego klienta logopedy. I starszy brat Michaela.

Przyszły luminarz nauki był naprawdę ulubieńcem losu. Przez całe życie, przy należytej wytrwałości, znajdował pomoc. Brat z pogardą zwrócił monetę, informując o zdarzeniu matkę. Rodzina nie była uważana za bogatą, a ojciec, utalentowany rzemieślnik, z trudem wiązał koniec z końcem. Bracia wcześnie zaczęli szukać pracy: rodzina żyła z jałmużny od 1801 roku, Michael miał wtedy dziesiąty rok życia.

W wieku trzynastu lat Faraday wszedł do księgarni jako roznosiciel gazet. Przez całe miasto ledwo dociera do adresów na przeciwległych krańcach Londynu. Dzięki swojej pracowitości właściciel Ribota daje Faradaya bezpłatną posadę ucznia introligatora na siedem lat. W starożytności człowiek na ulicy płacił mistrzowi za proces zdobywania rzemiosła. Podobnie jak umiejętności mechanika George'a Ohma, proces introligatorski Faradaya był w pełni przydatny w przyszłości. Dużą rolę odegrał fakt, że Michael skrupulatnie czytał książki, które wpadły w jego twórczość.

Faraday pisze, że równie chętnie wierzył w traktat pani Marcet (Rozmowy o chemii) oraz w opowieści z tysiąca i jednej nocy. Ważną rolę w tej kwestii odegrała chęć zostania naukowcem. Faraday wybiera dwa kierunki: elektryczność i chemię. W pierwszym przypadku głównym źródłem wiedzy jest Encyklopedia Britannica. Dociekliwy umysł wymaga potwierdzenia tego, co jest napisane, młody introligator nieustannie sprawdza swoją wiedzę w praktyce. Faraday zostaje doświadczonym eksperymentatorem, który odegra wiodącą rolę w badaniach indukcji elektromagnetycznej.

Pamiętajmy, że mówimy o studencie nieposiadającym własnych dochodów. Starszy brat i ojciec udzielali pomocy, jak tylko mogli. Od odczynników chemicznych po montaż generatora elektrostatycznego – eksperymenty wymagają źródła energii. Jednocześnie Faradayowi udaje się uczęszczać na płatne wykłady z nauk przyrodniczych i skrupulatnie zapisuje swoją wiedzę w zeszycie. Następnie wiąże notatki, wykorzystując nabyte umiejętności. Praktyka kończy się w 1812 roku, Faraday zaczyna szukać pracy. Nowy właściciel nie jest już tak przychylny i pomimo perspektywy zostania spadkobiercą biznesu, Michael jest na dobrej drodze do odkrycia indukcji elektromagnetycznej.

Ścieżka naukowa Faradaya

W 1813 roku los uśmiechnął się do naukowca, który dał światu ideę indukcji elektromagnetycznej: udało mu się uzyskać stanowisko sekretarza Sir Humphreya Davy'ego, krótki okres znajomości zaowocował w przyszłości. Faraday nie może już dłużej znieść obowiązków introligatora, dlatego pisze list do Josepha Banksa, ówczesnego prezesa Królewskiego Towarzystwa Naukowego. O charakterze działalności organizacji powie Wam fakt: Faraday otrzymał stanowisko zwane starszym sługą: pomaga wykładowcom, wyciera kurz ze sprzętu, nadzoruje transport. Joseph Banks ignoruje wiadomość, Michael nie traci ducha i pisze do Davy’ego. Przecież w Anglii nie ma innych organizacji naukowych!

Davy jest bardzo uważny, ponieważ zna Michaela osobiście. Nie mając wrodzonego talentu do mówienia – pamiętajcie jego szkolne doświadczenia – i wyrażania myśli na piśmie, Faraday bierze specjalne lekcje, aby rozwinąć niezbędne umiejętności. Starannie systematyzuje swoje doświadczenia w notatniku i wyraża swoje przemyślenia w kręgu przyjaciół i ludzi o podobnych poglądach. Zanim poznał Sir Humphreya, Davy osiągnął niezwykłe umiejętności i składa petycję, aby nowo wybity naukowiec został przyjęty na wyżej wymienione stanowisko. Faraday jest szczęśliwy, ale początkowo pojawił się pomysł, aby wyznaczyć przyszłego geniusza do zmywania naczyń…

Z woli losu Michael zmuszony jest słuchać wykładów na różne tematy. Profesorowie potrzebowali pomocy tylko okresowo, poza tym wolno im było przebywać w klasie i słuchać. Biorąc pod uwagę, ile kosztuje edukacja na Harvardzie, stało się to dobrym sposobem na spędzanie wolnego czasu. Po sześciu miesiącach genialnej pracy (październik 1813) Davy zaprasza Faradaya w podróż do Europy, wojna się skończyła, trzeba się rozejrzeć. Stało się to dobrą szkołą dla odkrywcy indukcji elektromagnetycznej.

Po powrocie do Anglii (1816) Faraday otrzymał tytuł asystenta laboratoryjnego i opublikował swoją pierwszą pracę na temat badań wapienia.

Badania elektromagnetyzmu

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej polega na indukowaniu się pola elektromagnetycznego w przewodniku pod wpływem zmiennego pola magnetycznego. Obecnie urządzenia działają na tej zasadzie, od transformatorów po płyty grzewcze. Mistrzostwo w tej dziedzinie przyznano Hansowi Oerstedowi, który 21 kwietnia 1820 roku zauważył wpływ obwodu zamkniętego na igłę kompasu. Podobne obserwacje opublikował w formie notatek Giovanni Domenico Romagnosi w 1802 roku.

Zasługą duńskiego naukowca jest to, że przyciągnął do sprawy wielu wybitnych naukowców. Zauważono więc, że igła jest odchylana przez przewodnik przewodzący prąd, a jesienią tego roku narodził się pierwszy galwanometr. Urządzenie pomiarowe w dziedzinie energii elektrycznej stało się dla wielu ogromną pomocą. Po drodze wyrażano różne punkty widzenia, w szczególności Wollaston ogłosił, że dobrym pomysłem byłoby spowodowanie ciągłego obracania się przewodnika z prądem pod wpływem magnesu. W latach 20. XIX wieku wokół tej kwestii panowała euforia, wcześniej magnetyzm i elektryczność uważano za zjawiska niezależne.

Pomysł wcielił w życie jesienią 1821 roku Michael Faradaya. Mówi się, że wtedy narodził się pierwszy silnik elektryczny. 12 września 1821 roku w liście do Gasparda de la Rive Faraday pisze:

„Odkryłem, że przyciąganie i odpychanie igły magnetycznej przez drut przewodzący prąd jest dziecinnie proste. Pewna siła będzie stale obracać magnes pod wpływem prądu elektrycznego. Zbudowałem obliczenia teoretyczne i udało mi się je wdrożyć w praktyce.”

List do de la Rive’a nie był przypadkowy. W miarę rozwoju naukowego Faraday zyskał wielu zwolenników, a jego jedyny nieprzejednany wróg... Sir Humphrey Davy. Układ eksperymentalny został uznany za plagiat pomysłu Wollastona. Przybliżony projekt:

Srebrna misa jest wypełniona rtęcią. Ciekły metal ma dobrą przewodność elektryczną i służy jako ruchomy kontakt.
Na dnie misy znajduje się placek z wosku, w który wsuwany jest magnes sztabkowy jednym biegunem. Drugi unosi się nad powierzchnią rtęci.
Przewód podłączony do źródła zwisa z dużej wysokości. Jego koniec jest zanurzony w rtęci. Drugi drut znajduje się w pobliżu krawędzi miski.
Jeśli przepuścisz stały prąd elektryczny przez obwód zamknięty, drut zacznie opisywać kręgi wokół rtęci. Środek obrotu staje się magnesem trwałym.

Konstrukcja nazywana jest pierwszym na świecie silnikiem elektrycznym. Ale efekt indukcji elektromagnetycznej jeszcze się nie objawił. Istnieje interakcja pomiędzy dwoma polami i nic więcej. Nawiasem mówiąc, Faraday nie zatrzymał się i zrobił misę, w której drut jest nieruchomy, a magnes się porusza (tworząc powierzchnię obrotową - stożek). Udowodnił, że pomiędzy źródłami polowymi nie ma zasadniczej różnicy. Dlatego indukcję nazywa się elektromagnetyczną.

Faraday został natychmiast oskarżony o plagiat i prześladowany przez kilka miesięcy, o czym z goryczą pisał do zaufanych przyjaciół. W grudniu 1821 roku odbyła się rozmowa z Wollastonem, wydawało się, że sprawa została wyjaśniona, jednak… nieco później grupa naukowców wznowiła ataki, a na czele opozycji został Sir Humphrey Davy. Istotą głównych zarzutów był sprzeciw wobec idei przyjęcia Faradaya w poczet członka Towarzystwa Królewskiego. Zaciążyło to na przyszłym odkrywcy prawa indukcji elektromagnetycznej.

Odkrycie prawa indukcji elektromagnetycznej

Przez pewien czas wydawało się, że Faraday porzucił ideę badań w dziedzinie elektryczności. Sir Humphrey Davy jako jedyny rzucił piłkę przeciwko kandydaturze Michaela. Być może były student nie chciał denerwować patrona, który był wówczas prezesem towarzystwa. Ale myśl o jedności procesów naturalnych nieustannie mnie dręczyła: jeśli elektryczność można przekształcić w magnetyzm, musimy spróbować zrobić odwrotnie.

Pomysł ten zrodził się – według niektórych źródeł – już w 1822 roku, a Faraday nieustannie nosił przy sobie przypominający wyglądem kawałek rudy żelaza, służący jako „węzeł pamięci”. Od 1825 roku, będąc pełnoprawnym członkiem Towarzystwa Królewskiego, Michael otrzymał stanowisko kierownika laboratorium i natychmiast wprowadził innowacje. Obecnie pracownicy spotykają się raz w tygodniu na wykładach połączonych z wizualnymi demonstracjami urządzeń. Stopniowo wejście staje się otwarte, nawet dzieci mają okazję spróbować nowych rzeczy. Ta tradycja zapoczątkowała słynne piątkowe wieczory.

Przez całe pięć lat Faraday studiował szkło optyczne, grupa nie odniosła wielkiego sukcesu, ale były praktyczne wyniki. Nastąpiło kluczowe wydarzenie - życie Humphreya Davy'ego, który nieustannie sprzeciwiał się eksperymentom z elektrycznością, zostało przerwane. Faraday odrzucił ofertę nowego pięcioletniego kontraktu i teraz rozpoczął otwarte badania, które bezpośrednio doprowadziły do indukcji magnetycznej. Według literatury seria trwała 10 dni, rozłożonych nierównomiernie pomiędzy 29 sierpnia a 4 listopada 1831 roku. Faraday opisuje własną konfigurację laboratorium:

Używając miękkiego (wysoce magnetycznego) okrągłego żelaza 7/8" wykonałem pierścień o promieniu zewnętrznym 3". W rzeczywistości okazało się, że to rdzeń. Trzy uzwojenia pierwotne oddzielono od siebie płótnem bawełnianym i sznurkiem krawieckim, dzięki czemu można było je połączyć w jedno lub używać osobno. Miedziany drut w każdym ma 24 stopy długości. Jakość izolacji sprawdzana jest za pomocą akumulatorów. Uzwojenie wtórne składało się z dwóch segmentów, każdy o długości 60 stóp, oddzielonych od pierwotnego na odległość.

Ze źródła (prawdopodobnie elementu Wollaston), które składało się z 10 płytek, każda o powierzchni 4 cali kwadratowych, energia była dostarczana do uzwojenia pierwotnego. Końce przewodu wtórnego zwarto kawałkiem drutu, a igłę kompasu umieszczono wzdłuż obwodu trzy stopy od pierścienia. Kiedy źródło zasilania zostało zamknięte, namagnesowana igła natychmiast zaczęła się poruszać, a po pewnym czasie wróciła na swoje pierwotne miejsce. Jest oczywiste, że uzwojenie pierwotne powoduje reakcję w uzwojeniu wtórnym. Powiedzielibyśmy, że pole magnetyczne rozchodzi się przez rdzeń i indukuje pole elektromagnetyczne na wyjściu transformatora.