Роботи Майкла Фарадея
Маріо Льоцці
Електромагнітна індукція
Те, що всі фізичні
явища являють собою лише різні прояви однієї і тієї ж сутності, або,
кажучи словами Анджело Секкі (1818-1879), ідея «єдності фізичних сил», було основною
філософської передумовою фізики минулого століття. Систематичне застосування цього
принципу ми постійно знаходимо в роботах одного з найпроникливіших дослідників
всіх часів - Майкла Фарадея (1791-1867). Який зв'язок між електрикою і магнетизм?
Чи можна перетворити одне в інше? Ці питання ставив перед собою Фарадей, починаючи
в 1822 р. свої експериментальні дослідження, і знову безуспішно повертаючись до них
в 1825 р.
Експерименти, поставлені
після відкриття Ерстеда, показали, що електричний струм сильно змінює намагніченість
магніту. У зв'язку з цим Фарадей очікував, що і магніт повинен впливати на силу струму.
Врешті-решт, у 1831 р. Фарадей зробив свою саме велике відкриття - явище електромагнітної
індукції. Найбільш наочний прояв електромагнітної індукції було отримано
Фарадеєм за допомогою нехитрого приладу. На залізне кільце намотувалися дві окремі
спіралі, з яких одна поєднувалася з батареєю, а інша - з гальванометром. При замиканні
першого ланцюга спостерігалося різке відхилення стрілки гальванометра, при розмиканні
ланцюга спостерігалося відхилення протилежного знака. Цей важливий досвід, всіляко видозмінюються,
Фарадею дозволив «отримати електрику з магнетизму» найпростішим, зараз добре
відомим способом: достатньо вводити магніт в спіральний провідник, з'єднаний
з гальванометром, щоб отримати відхилення стрілки в один бік; при виведенні магніту
з спіралі стрілка відхиляється в протилежну сторону.
У 1824 р. Араго зауважив,
що масивний мідний корпус досить сильно сповільнює коливання стрілки компаса.
Це спостереження наштовхнуло його на думку поставити свій знаменитий досвід, в ході якого
виявилося відхилення магнітної стрілки при обертанні мідного диска, розташованого
над або під нею. Придумані для пояснення цього явища теорії були настільки штучні,
що для більшості вчених досвід Араго так і залишилося загадкою. Після відкриття явища
електромагнітної індукції Фарадей подумав, що виявлене Араго явище може
також пояснюватися появою індуктивних струмів в диску. Щоб переконатися в цьому,
Фарадей став обертати мідний диск між полюсами магніту, приєднавши кінці ланцюга
гальванометра один до осі, а інший до краю диска. При обертанні диска гальванометр
вказував на наявність струму постійного напрямку, величина якого мінялася залежно
від швидкості обертання диска. Цим досвідом Фарадей не тільки встановив нове фізичне
явище, але і дав перший зразок генератора електричного струму, відмінного від батареї,
тобто дав цим перший поштовх до розвитку потужної сучасної електротехнічної промисловості
з її найрізноманітніші практичними застосуваннями.
Однак Фарадея не цікавили
практичні застосування. Проведений досвід дозволяв виявити якісні закони явища
індукції. З цього досвіду Фарадей вивів правило, що дозволяє визначити напрямок
струму в прямолінійній провіднику, що рухається перед полюсом магніту. Саме у зв'язку
з цим Фарадей вперше говорить про «магнітних кривих»: «Під магнітними кривими я розумію
лінії магнітних сил, хоча і перекручені сусідством полюсів; ці лінії вимальовуються
залізними тирсою; до них щодо розташовувалися б дуже малі магнітні
стрілочки ».
Фарадей видозмінював
свої досліди самими різними способами: застосовував і ниткоподібним провідники, і дископодібні,
обертав то магніт по відношенню до електричного контуру, то контур щодо магніту
або землі. У результаті він прийшов до висновку, що електрорушійна сила індукції НЕ
залежить від природи провідника, і висунув наступну теорію щодо цього явища,
в загальних рисах, що залишилася незмінною з 1831 р. до наших днів: «Коли через дріт
проходить електричний струм, то цей дріт у всіх своїх точках оточений магнітними
кривими, інтенсивність яких зменшується з відстанню; подумки можна уподібнити їх
кілець, розташованим в площинах, перпендикулярних проводу, або, вірніше, що протікає
в ньому току. Хоча і відмінні за формою, ці криві є цілком аналогічними
тим, які існують між двома зверненими один до одного різнойменними полюсами.
Коли другий дріт, паралельний тому, який несе струм, наближають до останнього,
то він проходить через магнітні криві точно того ж роду, що він перетинав б
при своєму переміщенні в певному напрямку між протилежними полюсами ».
Якщо ні переміщення
індукують провідника щодо провідника, в якому индуцируется струм, то
ток не з'являється, тому що тоді силові лінії не перетинаються. Коли індукують
провідник віддаляється від другого провідника, силові лінії перетинаються в протилежному
напрямі і виникає струм також йде у зворотному напрямку. Якщо обидва провідника
нерухомі, то при включенні струму в індукують провіднику відбувається те ж саме,
як якби магнітні криві рухалися «... з моменту, коли вони починають розвиватися,
і аж до того моменту, коли магнітна сила струму досягає найбільшого значення;
вони як би поширюються в сторони від проводу і, отже, виявляються по
відношенню до нерухомого, індукованого проводу в тому ж положенні, як якби
він рухався в протилежному напрямку поперек них або за направленням до несучої
ток проводу ».
У цих небагатьох словах
полягають дуже важливі й нові думки: перша опис електромагнітного поля,
думка про залежність інтенсивності поля від числа магнітних кривих, розповсюдження
в часі магнітних збурень.
Дослідженнями в цьому
новому напрямку, зазначеному Фарадеєм, зайнялися багато фізиків: Джозеф Генрі
(1797-1878), який, як вважають американці, ще до Фарадея відкрив явище індукції,
виявив також явище самоіндукції, незалежно від нього відкрите в 1833 р. Сальваторе
даль Негро (1768-1839), а наступного року - одночасно Вільям Дженкін і Антуан
Масою (1806-1858). Особливо важливими були роботи Генрі (1838 р.) з дослідження
«Струмів вищого порядку», тобто струмів, індукованих іншими індукованими струмами.
Це явище за рік до того експериментально встановив Маріаніні. Явище це зовсім
не так вже, звісно, очевидно, як може здатися сьогодні. Дослідження струмів
вищого порядку привели Генрі у 1842 р. до висновку, що розряд лейденської банки складається
не з одного переходу електрики з одного обкладки на іншу, а з цілої серії
швидко загасаючих електричних коливань. До цього ж висновку в 1847 р. прийшов Гельмгольц
у своїй статті «Про збереження сили».
У 1834 р. петербурзький
академік Еміль Християнович Ленц (1804-1865) помітив, що правила Фарадея і нобілі,
службовці для визначення напрямку індуктивних струмів, передбачали занадто
багато різних випадків, тоді як, з огляду на електродинамічний закон Ампера, їх
можна було легко звести до одного-єдиного правилом, застосовуваним у всіх випадках.
Виходячи з цього, Ленц сформулював правило, що носить зараз його ім'я.
Франц Нейман
(1798-1895) поклав в основу своєї теорії індукції, викладеної у двох чудових
роботах 1845 та 1847 рр.., закон Ленца, можливість застосування закону Ома також до індуктивним
струмів і висунутий ним новий принцип, згідно з яким індукція, що виникає в певний
момент часу, пропорційна швидкості, з якою пересувається провідник.
На питання, поставлене
Ампером, відповідь було знайдено Гаусом, але не був ним опублікований. Взаємодія двох
електричних зарядів залежить не тільки від відстані між ними, але і від швидкості,
з якої вони переміщуються щодо один одного. Закон же Кулона дійсний
тільки для двох нерухомих зарядів. У 1846 р. Вільгельм Вебер, розвиваючи ідею свого
вчителі, вивів формулу, яка замінює формулу Кулона у випадку двох рухомих зарядів.
З цієї формули слід було, що взаємодія двох елементів струму підпорядковується закону
Ампера, і виводилася вся теорія індукції, цілком погодитись з теорією Неймана.
Більш оригінальній представлялася
теорія Гельмгольца, викладена у вже кілька разів згадуваної нами роботі «Про
збереженні сили »(1847 р.) і доповнена потім Томсоном. Гельмгольц показав, що
індукція електричних струмів може бути математично виведена з електромагнітних
явищ Ерстеда і електродинамічних явищ Ампера, якщо тільки прийняти принцип
збереження енергії.
Але закони Неймана, Вебера,
Гельмгольца та аналогічні дослідження Абріа і Генрі, здавалося, містили в собі
теоретичні передумови, не цілком грунтуються на досвіді, тому Ріккардо
Фелічі (1819 - 1902) поставив перед собою завдання виявити закони електромагнітної
індукції, спираючись «тільки на дані досвіду, за допомогою методу, яким користувався
Ампер при виведенні формули взаємодії елементів струму ».
Фелічі проводив ретельні
експериментальні та теоретичні дослідження в цьому напрямі безперервно з
1851 по 1856 р.; про результати цих досліджень він по ходу робіт час від часу
робив повідомлення, і, нарешті, виклав їх у великій роботі, під заголовком «Sulla
teoria matematica dell'induzione elettrodinamica »(« Про математичної теорії електромагнітної
індукції »), опублікованої в 1854 і 1857 рр.. У цій роботі теоретично розглянуто
явища індукції, що спостерігаються при розмиканні первинного ланцюга, при взаємному пересуванні
індукованого та індукує струмів, при русі провідника в магнітному полі і
при взаємному »рух двох частин одного й того самого електричного контура. Теорія
Фелічі була предметом жвавих суперечок протягом усього XIX століття, але в кінці
-решт стало зрозуміло, особливо після роз'яснюють робіт Максвелла, що вона еквівалентна
теоріям Неймана і Вебера, але має лише кілька більш емпіричне обгрунтування.
Список літератури
Для підготовки даної
роботи були використані матеріали з сайту http://www.portal-slovo.ru/
