Сержио Рарра Кастильо - Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция

• Название: Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция
• Автор: Сержио Рарра Кастильо
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Научпоп
• Год: 2015
• ISBN: 2409-0069

Майкл Фарадей родился в XVIII веке в бедной английской семье, и ничто не предвещало того, что именно он воплотит в жизнь мечту об освещенном и движимом электроэнергией мире. Этот человек был, вероятно, величайшим из когда-либо живших гениев экспериментальной физики и химии. Его любопытство и упорство позволили раскрыть множество тайн электричества и магнетизма, а также глубинную связь этих двух явлений. Фарадей изобрел электродвигатель и динамо-машину — два устройства, революционно изменившие промышленность, а также сделал другие фундаментальные открытия. Герой этой книги был самоучкой, он многое постиг экспериментальным путем, поэтому одной из его важнейших задач стало распространение знаний о своих открытиях среди коллег и современников.

---

Одна из формулировок закона Фарадея звучит так: «Для любого замкнутого контура индуцированная электродвижущая сила равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур, взятого со знаком минус:

ε = -dΦ/dt

где ε — индуцированная ЭДС, Φ — магнитный поток, t — время, d/dt — производная по отношению к времени». Знак «-»был добавлен Генрихом Ленцем, так как направления ЭДС и тока стремятся к противоположности по отношению к получаемому изменению. Из-за этого в некоторых текстах закон Фарадея носит более сложное название — закон Ленца — Фарадея или даже Ленца — Фарадея — Генри.

* * * 

Для второй категории опытов Фарадей использовал магнит и катушку, соединенную с гальванометром. Он быстро помещал магнит в катушку и мог наблюдать отклонение стрелки; если магнит внутри катушки не двигался, стрелка возвращалась в начальное положение. При вынимании магнита стрелка снова двигалась, только в обратном направлении. При повторении процесса стрелка колебалась в одну и другую сторону, при этом ее перемещения были тем значительнее, чем более быстрым было движение, вводящее и вынимающее магнит из катушки (рисунок 2). Tе же результаты наблюдались, когда магнит был неподвижным в катушке, а сама катушка двигалась.

Без сомнений, концепция поля облегчила Фарадею дальнейшие открытия. Она объясняет взаимодействие двух тел, не находящихся в физическом контакте: поле — участок пространства, к которому относятся величины, зависящие от напряжения тела, вступившего во взаимодействие. Таким образом, могут существовать, например, электрические поля (со статическими зарядами) и магнитные поля (с естественными магнитами или движущимися зарядами).

Электрическое поле определяется как участок пространства, которое может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела. Силовое воздействие происходит вследствие наличия в поле как минимум одного другого заряженного тела. Величина, используемая для характеристики напряженности этого поля, — интенсивность электрического поля. Присутствие электрического поля в том или ином месте можно обозначать с помощью силовых линий, или линий поля (рисунок 3). Эти линии имеют определенные свойства: если они расположены близко друг к другу, это говорит об интенсивности поля, и наоборот; линии изображаются исходящими от положительных зарядов и входящими в отрицательные. Количество линий, изображенных исходящими от положительного заряда и входящими в отрицательный, пропорционально абсолютной величине заряда; две линии не могут сходиться в точке, где нет заряда; кроме того, линии не могут быть замкнутыми.

На первый взгляд не существует связи между магнитными и электрическими полями, за исключением того, что одинаковые заряды отталкиваются, а разные — притягиваются (в электрических полях), и одинаковые поля отталкиваются, а разные — притягиваются (в магнитных полях). В магнитных полях механизм притяжения и отталкивания аналогичен механизму в электрических полях. Однако создание батарейки показало, что возможно с помощью проводника соединить два противоположных электрических поля. В этом случае вокруг проводника можно наблюдать магнитное поле.

* * * Магнитное поле

Если мы приблизим друг к другу два магнита противоположными полюсами, они будут притягиваться, если одинаковыми полюсами — отталкиваться. Фарадей объяснял данное явление тем, что от полюсов магнитов отходят линии: он называл их силовыми, а сегодня их называют линиями магнитного поля. Эти линии начинаются у одного полюса и заканчиваются на противоположном полюсе одного и того же или ближайшего магнита. На всей протяженности этих линий, которые Фарадей представлял невидимыми канатами в пространстве, окружающем магнит, присутствует сила натяжения, которая и отвечает за притягивание одного магнита к другому. Это пространство Фарадей назвал магнитным полем. Таким образом, явление, когда магнит воздействует на расстоянии на металлический объект, можно интерпретировать следующим образом: магнит создает вокруг себя силовые поля, которые мы называем магнитным полем. 

Легко увидеть

Термин «поле» был введен Фарадеем, он хотел поместить между полюсами магнита человека, но независимо от его присутствия или отсутствия свойства поля сохранялись. Хотя еще в XVII веке философ-иезуит Никколо Kaбео писал о силовых линиях, современное понятие также относится к Фарадею и его термину «поле». Чтобы увидеть эти линии, можно рассыпать вокруг магнита железные опилки: они займут место в соответствии с магнитным полем, делая видимым расположение его линий.

Слева — линии магнитного поля между взаимно притягивающимися магнитами, справа — между взаимно отталкивающимися.

ПЕРВЫЕ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ

Фарадей продолжал методично изучать имевшиеся в его эпоху научные догадки и шаг за шагом подтверждал свои новые идеи.

После того как ему удалось доказать, что электричество может индуцироваться магнетизмом, следующим шагом была попытка создать электричество в продолжительных промежутках времени, а не мгновенно. Для этого Фарадей изменил опыт Франсуа Aparo (1786–1853), доказавшего, что при вращении медного колеса можно отклонить подвешенную над ним магнитную стрелку. При вращении колеса силовые магнитные линии пересекались, и таким образом создавались электрические токи. Из-за этих токов возникало магнитное поле, заставлявшее отклоняться магнитную стрелку. Но Фарадей не надеялся получить магнитное поле из электрического тока, он хотел, чтобы магнитное поле создавало электрический ток.

Линии поля, соответствующие электрическим полям, созданным противоположными зарядами (a), зарядами с одним знаком (b) и двумя разными зарядами с разной абсолютной величиной (c) 

Таким образом, ученый создал униполярный генератор — электродвигатель, основанный на силе Лоренца (сила, с которой электромагнитное поле действует на точечный электрический заряд, при его прохождении по полю), — для превращения электрической энергии в движение. Устройство называется униполярным, так как не требует изменения полярности для вращения; оно обладает магнитным полем с единым направленным потоком. Для создания такого генератора Фарадей использовал медный диск, вращавшийся между полюсами магнита в форме подковы, — так был создан источник слабого постоянного тока. При вращении колеса его край проходил между полюсами магнита. Два токосъемника обеспечивали контакт при скольжении: один на краю диска, другой — на оси. Оба полюса были подсоединены к гальванометру для замыкания цепи. Пока колесо вращалось, согласно показаниям гальванометра, вырабатывался постоянный электрический ток. Этот ток мог использоваться для выполнения работы. Так Фарадей создал первый электрический генератор. Это произошло 28 октября 1831 года.

Направление электрического поля в каждой точке диска перпендикулярно плоскости вращения диска и магнитному полю, поэтому электрическое поле перемещается из центра диска к его наружному краю, радиальные движения электронов диска вызывают разницу потенциалов между центром и краем диска. Этот примитивный вид динамо-машины основывается на том же принципе, который используется и сейчас: например, в динамо-машинах на некоторых велосипедах благодаря ему зажигается фара, за исключением случаев, когда магнит вращается вокруг закрученного провода.

Изменение магнитного потока может быть вызвано механическими движениями магнита и изменениями тока в другом контуре. Было известно со времени эксперимента Эрстеда, что ток другого контура создает магнитное поле. Если ток меняется, то меняется и поле, и магнитный поток второго контура.

* * * Понятие магнитного потока

Идея о том, как изображать воздействие магнита или электрического тока в окружающем их пространстве с помощью силовых линий, принадлежит Фарадею. С помощью таких изображений, по всей видимости связанных с религиозными представлениями ученого. Фарадей компенсировал свою слабую математическую подготовку. Если мы будем с помощью железных опилок рассматривать магнитное поле, созданное прямым магнитом, то увидим, что на полюсах силовые линии расположены ближе друг к другу, а при удалении от полюсов линии разделяются.

На рисунке 1 поток линий поля B, пересекающих поверхность S, заключенную в спираль, максимален. При этом на рисунке 2 мы видим, что поток линий поля B, пересекающих поверхность, нулевой. 

Принимая во внимание, что интенсивность магнитного поля В уменьшается по мере удаленности от полюсов, можно установить соотношение между этими двумя фактами, подтвердив, что интенсивность поля В прямо пропорциональна количеству силовых линий, проходящих по поверхности. Чем ближе друг к другу расположены линии, тем более интенсивным будет поле в данной зоне. Количество силовых линий поля В, проходящих по поверхности, зависит от того, как ориентирована эта поверхность по отношению к направлению линий. Таким образом, для определенной совокупности силовых линий количество точек пересечения с поверхностью будет максимальным при перпендикулярной ориентации (рисунок I) и нулевым — при параллельной ориентации (рисунок 2). Количество силовых линий поля В, перпендикулярно пересекающих поверхность, выражает величину интенсивности данного поля. Так, величине, названной магнитный потоп и обозначаемой буквой Ф, мы можем дать следующее определение: если у нас есть некая плоская поверхность S и перпендикулярное ей магнитное поле В с одинаковой величиной во всех точках, потоком магнитного поля этой поверхности мы назовем выражение Φ = B∙S. Необходимо помнить, что магнитный поток связан с количеством силовых линий (или полем), которые пересекают поверхность. Изменение потока с помощью контура индуцирует электрический ток на данный контур. Когда это изменение происходите некоторой периодичностью, индуцируемый ток также периодически меняет направление.