Английский физик Майкл Фарадей, выросший в бедной семье, стал одним из величайших ученых в истории человечества. Его выдающиеся достижения были сделаны в то время, когда наука являлась уделом людей, рожденных в привилегированных семействах. В его честь названа единица электрической емкости - фарад.
Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в столице Великобритании Лондоне. Он был третьим ребенком в семье Джеймса и Маргарет Фарадеев. Его отец был кузнецом, который имел слабое здоровье. До брака его мать работала служанкой. Семья жила бедно.
До 13 лет Майкл посещал местную школу, где получил начальное образование. Чтобы помочь семье, он начал работать посыльным в книжном магазине. Усердие мальчика впечатлило его работодателя. Через год его повысили до ученика переплетчика.
Майкл Фарадей хотел узнать больше о мире; он не ограничивался После усердного ежедневного труда он проводил все свое свободное время за чтением книг, которые он переплетал.
Постепенно он обнаружил, что увлекся наукой. Особенно ему понравились две книги:
Он был настолько очарован, что начал тратить часть своего скудного заработка на химические вещества и аппаратуру, чтобы подтвердить истинность того, о чем читал.
Расширяя свои научные познания, он услышал, что Джон Татум собирался дать серию публичных лекций по натуральной философии (физике). Для посещения лекций необходимо было внести плату в один шиллинг - слишком много для Майкла Фарадея. Его старший брат, кузнец, впечатленный растущей преданностью своего брата науке, дал ему необходимую сумму.
Фарадей сделал еще один шаг к науке, когда Уильям Дэнс, клиент книжного магазина, поинтересовался у Майкла, нет ли у него желания получить билеты на лекции в Королевском институте.
Лектор, сэр Хамфри Дэви, был одним из самых известных в мире ученых того времени. Фарадей ухватился за шанс и посетил четыре лекции, посвященные одной из новейших проблем химии - определении кислотности. Он наблюдал за экспериментами, которые проводил Дэви на лекциях.
Это был мир, в котором он хотел бы жить. Фарадей вел записи, а затем сделал так много дополнений в примечаниях, что произвел 300-страничную рукопись, которую сам переплел и отправил Дэви в знак благодарности.
В это время на заднем дворе книжного магазина Майкл начал проводить более сложные эксперименты по созданию электрической батареи из медных монет и цинковых дисков, разделенных влажной соленой бумагой. Он использовал ее для разложения химических веществ, например таких, как сульфат магния. В этой области химии Хамфри Дэви был пионером.
В октябре 1812 года ученичество Фарадея завершилось, и он начал работать переплетчиком у другого работодателя, которого он нашел неприятным.
И вот произошел счастливый для Фарадея случай. В результате неудачного эксперимента Хамфри Дэви был ранен: это временно повлияло на его способность писать. Майклу удалось в течение нескольких дней вести записи для Дэви, впечатленного книгой, которую тот ему послал.
Когда недолгий период работы помощником закончился, Фарадей отправил ученому записку с просьбой нанять его своим ассистентом. Вскоре после этого один из лаборантов Дэви был уволен за нарушение дисциплины, и Хамфри осведомился у Майкла, не хотел ли бы он занять вакантное место.
Не хотел ли он работать в Королевском институте с одним из самых известных ученых в мире? Это был риторический вопрос.
Ему хорошо платили и выделили для проживания комнату на чердаке Королевского института. Майкл был очень доволен, и его связь с этим учреждением больше не прерывалась в течение 54 лет, за которые ему удалось стать профессором химии.
Работа Фарадея состояла в подготовке аппаратуры для проведения экспериментов и лекций в Королевском институте. Поначалу он имел дело с трихлоридом азота, взрывчатым веществом, которое травмировало Дэви. Майкл тоже при очередном взрыве ненадолго потерял сознание, и когда Хамфри снова получил травму, опыты с этим соединением были прекращены.
Через 7 месяцев работы в Королевском институте Дэви взял с собой Фарадея в турне по Европе, длившееся 18 месяцев. За это время Майклу удалось встретить великих ученых, таких как Андрэ-Мари Ампер в Париже и Алессандро Вольта в Милане. В некотором смысле, тур заменил ему университетское образование - Фарадей многое узнал за это время.
Большую часть тура он, однако, был несчастлив, поскольку в дополнение к научной и секретарской работе должен был прислуживать Дэви и его жене. Супруга ученого не считала Фарадея равным себе из-за его происхождения.
По возвращении в Лондон все стало на свои места. Королевский институт возобновил контракт Майкла и увеличил его вознаграждение. Дэви даже начал упоминать о его помощи в научных работах.
В 1816 г. в возрасте 24 лет Фарадей прочитал свою первую лекцию о свойствах материи. Проходила она в Городском философском обществе. Тогда же в «Ежеквартальном научном журнале» он опубликовал свою первую научную статью об анализе гидроксида кальция.
В 1821 г. в возрасте 29 лет Фарадей был повышен до должности заведующего хозяйством и лабораторией Королевского института. В том же году он женился на Саре Барнард. Майкл со своей супругой прожили в институте большую часть следующих 46 лет, уже не на чердаке, а в удобном помещении, которое когда-то занимал Хамфри Дэви.
В 1824 г. биография Фарадея (физика) ознаменовалась его избранием в члены Королевского общества. Это было признанием того, что он стал заметным ученым.
В 1825 г. физик Фарадей стал директором лаборатории.
В 1833 г. он стал фуллеровским профессором химии в Королевском институте Великобритании. Фарадей занимал эту должность до конца своей жизни.
В 1848 и 1858 годах ему было предложено возглавить Королевское общество, но он отказался.
Чтобы описать открытия Фарадея в физике, потребуется не одна книга. Не случайно Альберт Эйнштейн в своем кабинете хранил фотографии только троих ученых: Исаака Ньютона, Джеймса Максвелла и Майкла Фарадея.
Как ни странно, хотя еще при жизни ученого начали использовать слово «физик», ему самому оно не нравилось, и он всегда называл себя философом. Фарадей был человеком, шедшим к открытиям через эксперименты, и он был известен тем, что никогда не отказывался от идей, к которым приходил благодаря научной интуиции.
Если он полагал, что идея стоила того, он продолжал эксперименты, несмотря на множество неудач, пока не достигал ожидаемого или пока не убеждался в том, что мать-природа доказала его неправоту, что случалось крайне редко.
Так что открыл Фарадей в физике? Вот некоторые из его самых заметных достижений.
Оно стало предвестником того, что, в конечном итоге, привело к созданию электрического двигателя. Открытие базировалось на теории Эрстеда о магнитных свойствах провода, по которому проходит электрический ток.
В 1802 году Джон Далтон высказал мнение, что все газы могут быть сжижены при низких температурах или высоком давлении. Физик Фарадей доказал это опытным путем. Он впервые превратил хлор и аммиак в жидкость.
Жидкий аммиак был еще интересен тем, что, как заметил Майкл Фарадей, физика процесса его испарения вызывала охлаждение. Принцип охлаждения с помощью искусственного испарения был публично продемонстрирован Уильямом Калленом в Эдинбурге в 1756 г. Ученый с помощью насоса снизил давление в колбе с эфиром, в результате чего произошло его быстрое испарение. Это вызвало охлаждение, и на внешней стороне колбы из влаги воздуха образовался лед.
Важность открытия Фарадея состояла в том, что механические насосы могли превращать газ в жидкость при комнатной температуре. Затем жидкость испарялась, охлаждая все вокруг, полученный газ мог быть собран и с помощью насоса сжат в жидкость снова, повторяя цикл. Именно так работают современные холодильники и морозильники.
В 1862 году на Всемирной лондонской выставке Фердинанд Карре продемонстрировал первую в мире коммерческую машину по производству льда. В машине в качестве охлаждающей жидкости использовался аммиак, и она производила лед со скоростью 200 кг в час.
Исторически сложилось так, что бензол стал одним из наиболее важных веществ в химии, как в практическом смысле, т. е. он используется при создании новых материалов, так и в теоретическом - для понимания химической связи. Ученый обнаружил бензол в маслянистых остатках производства газа для освещения в Лондоне.
Это было чрезвычайно важным открытием для будущего науки и техники. Закон Фарадея (физика) гласит, что переменное магнитное поле вызывает в цепи электрический ток, и генерируемая прямо пропорциональна скорости изменения Одна из его возможных записей |E|=|dΦ/dt|, где Е - ЭДС, а Ф - магнитный поток.
Например, перемещение подковообразного магнита вдоль провода производит электрический ток, так как движение магнита вызывает переменное магнитное поле. До этого единственным источником тока была батарея. Майкл Фарадей, открытия в физике которого показали, что движение может быть превращено в электричество, или, более научным языком, кинетическая энергия может быть преобразована в электрическую, таким образом, причастен к тому, что большая часть энергии в наших домах сегодня производится именно по этому принципу.
Вращение (кинетическая энергия) преобразуется в электричество с помощью электромагнитной индукции. А вращение, в свою очередь, получают при действии на турбины пара высокого давления, создаваемого энергией угля, газа или атома, или напором воды в гидроэлектростанциях, либо давлением воздуха в
Фарадей-физик внес основной вклад в создание новой науки электрохимии. Она объясняет то, что происходит на границе раздела электрода с ионизированным веществом. Благодаря электрохимии мы пользуемся литий-ионными батареями и аккумуляторами, питающими современную мобильную технику. Законы Фарадея важны для нашего понимания электродных реакций.
Физик Фарадей обнаружил, что, когда электрический проводник заряжен, весь лишний заряд скапливается на внешней его стороне. Это означает, что внутри комнаты или клетки, сделанной из металла, дополнительный заряд не появляется. Например, человек, одетый в костюм Фарадея, т. е. с металлической подкладкой, не подвергается действию внешнего электричества. Кроме защиты людей, клетка Фарадея может использоваться для проведения электрических или электрохимических экспериментов, чувствительных к внешним помехам. Экранированные камеры также могут создавать мертвые зоны для мобильной связи.
Еще одним важным экспериментом в истории науки был опыт, впервые доказавший связь электромагнетизма и света, что в 1864 году было полностью описано уравнениями Джеймса Клерка Максвелла. Физик Фарадей установил, что свет представляет собой электромагнитную волну: «Когда противоположные магнитные полюса находились с той же стороны, это оказывало действие на поляризованный луч, что, таким образом, доказывает связь магнитной силы и света...
Большинство людей знакомо с ферромагнетизмом на примере обычных магнитов. Фарадей (физик) обнаружил, что все вещества диамагнитны - в большинстве своем слабо, но встречаются и сильные. Диамагнетизм противоположен направлению приложенного магнитного поля. Например, если поместить северный полюс у сильно диамагнитного вещества, то оно будет отталкиваться. Диамагнетизм в материалах, индуцированный очень сильными современными магнитами, может быть использован для достижения левитации. Даже живые существа, такие как лягушки, диамагнитны и могут парить в сильном магнитном поле.
Майкл Фарадей, открытия в физике которого произвели переворот в науке, умер 25 августа 1867 г. в Лондоне в возрасте 75 лет. Его жена Сара жила дольше. У четы не было детей. Всю свою жизнь он был набожным христианином и принадлежал к маленькой протестантской секте сандеманианцев.
Еще при жизни Фарадею было предложено погребение в Вестминстерском аббатстве вместе с королями и королевами Великобритании и учеными, подобно Исааку Ньютону. Он отказался ради более скромной церемонии. Его могилу, где также похоронена Сара, можно найти на кладбище Хайгейт в Лондоне.
Труды и воззрения Фарадея. Открытия Фарадея органически связаны с его воззрениями. Их история - это также история развития его глубоких и цельных идей. Мы начинаем эту историю с фундаментального открытия электромагнитной индукции.
Уже в 1821 г. в дневнике Фарадея появляется запись: «Превратить магнетизм в электричество». Мысль о тесной двусторонней связи электричества и магнетизма казалась ему совершенно очевидной, но конкретное воплощение идеи потребовало десяти лет напряжённого труда. Только 29 августа 1831 г. Фарадею удалось получить первый эффект: индукционный ток во вторичной обмотке при замыкании и размыкании тока в первичной обмотке. Этими опытами и началась первая серия его «Экспериментальных исследований» , в которой этот первый эксперимент описан следующим образом.
«10. На широкую деревянную катушку была намотана медная проволока длиной в 203 фута, и между витками её намотана проволока такой же длины, изолированная от первой хлопчатобумажной нитью. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая - с сильной батареей, состоявшей из 100 пар пластин; медные пластинки и здесь были двойные. При замыкании цепи удавалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие на гальванометре, 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, несмотря на то что нагревание всей спирали, соединённой с батарей, и яркость искры, проскакивающей между углями, свидетельствовали о мощности батареи».
«12. Результаты, полученные мною в это время при опытах над магнитами, заставили меня предположить, что ток, проходящий через один провод, в действительности индуцирует такой же ток в другом проводе, но что продолжительность индуцируемого тока, однако, лишь мгновенна, и он сходен скорее с электрической волной, наблюдаемой при разряде лейденской банки, чем с гальваническим током».
Итак, первым открытием в длинной цепи явлений электромагнитной индукции было открытие индукции токов. Интересно отметить (а на это обстоятельство обычно не обращается внимания), что и самая терминология, употребляемая Фарадеем, и его аппарат указывают, что он, в отличие, от современников, был глубоко убеждён в тождестве статического и гальванического электричества. Электростатическое влияние зарядов (электростатическая индукция) было известно давно, со времён Кантона, Вильке и Эпинуса, но индукции гальванической (индукции токов) никто не наблюдал. Впервые это было сделано Фарадеем.
Но ток, по Амперу, - это магнит, а магнит - это совокупность токов. Следовательно, можно, во-первых, получить намагничивание индукционным током, во-вторых, получить индукцию магнитом. «… Поэтому я предположил, - продолжает Фарадей, - что, несмотря на незначительность его действия на гальванометр, он мог бы намагнитить стальную иглу».
«13. Это предположение оправдалось».
Но индукция в электростатике определяется сближением и удалением проводников. Конечно, Фарадей понимал, что замыкание и размыкание тока соответствуют его приближению и удалений, однако он считает необходимым получить индукцию и движением проводников. «18. Однако так как можно было предположить, что особое действие ограничивалось исключительно актами замыкания и размыкания, то для проверки индукция была вызвана также и другим способом. Провод длиной в несколько футов был расположен на одной стороне широкой доски в форме буквы W и другой провод, точно такой же формы, был положен на другой доске так, чтобы оба провода соприкасались всеми своими точками при сближении досок, если бы между ними не был проложен лист толстой бумаги. Один из этих проводов был соединён с гальванометром, другой - с вольтовой батареей. Тогда приближение первого провода ко второму вызывало отклонение стрелки, а удаление - отклонение в обратную сторону. Если приближение и удаление проводов совпадали с колебаниями стрелки, то последние вскоре становились весьма заметными; при прекращении же движения проводов относительно друг друга колебания стрелки постепенно прекращались».
Фарадей понял, какое огромное поле исследования и приложений открылось перед ним. В письме Филлипсу от 23 сентября он писал: «Я теперь опять занимаюсь электромагнетизмом и полагаю, что напал на хорошую мысль, но я ещё ничего не могу сказать… Мне кажется, что я знаю, почему металлы становятся магнитными, когда они находятся в движении (Речь идёт об эффекте, открытом Араго. Вращающийся медный диск увлекал за собой магнитную стрелку.), и почему они не магнитны (в общем), когда находятся в покое».
Прежде всего Фарадей установил, что замена деревянного кольца в его исходном опыте железным сердечником в значительной степени усиливает эффект. При размыкании и замыкании тока в первичной спирали А (рис. 208), намотанной на железный сердечник, представляющий собой кольцо с внешним диаметром 6 дюймов, выкованное из железного стержня диаметра 7/8 дм, во вторичной спирали В, соединённой с гальванометром, появлялся индукционный ток.
«28. Гальванометр мгновенно обнаруживал отклонение, причём оно было гораздо более значительное, чем в предыдущих случаях, в которых при батареях, в десять раз более мощных, применялись спирали без железа (п. 10)».
Изготовив цилиндрическую катушку (обмотка наматывалась на картонный цилиндр) с первичной и вторичной обмоткой, Фарадей наблюдал очень слабый индукционный эффект при замыкании и размыкании тока в первичной обмотке, питавшейся от сравнительно мощной батареи.
«34. При введении же внутрь картонного цилиндра другого цилиндра из мягкого железа толщиной 6 7/8 дюйма и длиной в 12 дюймов индукционный ток оказывал мощное действие на гальванометр…»
В дальнейшем этот опыт был осуществлён Фарадеем 17 октября. «39. Цилиндр из мягкого железа (п. 34) был заменён магнитом цилиндрической формы с диаметром 3/4 дюйма и длиной в 8 1/2Дюйма. Один конец этого магнита был коаксиально вдвинут в катушку. После того как стрелка гальванометра пришла в спокойное состояние, весь магнит целиком был сразу вдвинут в катушку. Стрелка гальванометра показала мгновенное отклонение… Если магнит оставался внутри катушки, то стрелка снова приходила в своё прежнее положение и при вынимании его отклонялась в противоположном направлении».
Любой преподаватель физики воспроизводит сейчас эти классические опыты с так называемой индукционной катушкой. Индукцию токов Фарадей назвал вольта-электрической индукцией, описанную же здесь индукцию магнитом - магнито-электрической индукцией. Получив большой подковообразный магнит Королевского общества, Фарадей разгадал тайну эффекта Араго и обратил явление. 28 октября он «заставил медный диск вращаться между полюсами подковообразного магнита Королевского общества. Ось и край диска были соединены с гальванометром. Стрелка отклонялась, как только диск начинал вращаться».
Таким образом, в 1821 г. Фарадей получил непрерывное вращательное движение электромагнитным путём, т. е. осуществил первый электродвигатель, а в 1831 г. им был построен новый источник электроэнергии, первая динамо-машина. Фарадей сознательно ставил задачу построения такой машины. Он прямо говорит:
«Получив электричество из магнита вышеописанным образом, я полагаю, что опыт г-на Араго может стать новым источником получения электричества, и надеялся, что путем использования электрической индукции земного магнетизма мне удастся сконструировать электрическую машину».
Современная электротехника справедливо считает своим родоначальником — Фарадея. С неменьшим правом и радиотехника датируется от опытов Фарадея. Доклад об описанных здесь опытах Фарадей сделал 24 ноября, этот доклад и составляет содержание первой серии «Экспериментальных исследований». В п. 114 этой серии содержится закон, позволяющий определить направление индукционного тока в движущемся проводнике. Здесь уже отчётливо говорится о пересечении магнитных линий. Явление и правило Фарадея, правда, выраженное очень длинно, совпадает с правилом правой руки, В следующей, второй серии Фарадей осуществил опыты индукции магнитным полем Земли и настолько проникся новым пониманием существа явления, что высказывает убеждение: «теоретически следует, повидимому, признать обязательным, что везде, где течёт вода, должны развиваться электрические токи.
Если мысленно представить себе линию, проведённую через море от Дувра в Кале, а затем обратно в земле под водой от Кале к Дувру, то эта линия охватит круг проводящей массы, часть которой пересекает магнитные кривые земли, пока вода течёт по каналу вверх и вниз, а другая часть остаётся в относительном покое. Имеется основание полагать, что по главному направлению описанной линии будут итти токи в том или другом направлении, в зависимости от того, будет ли вода по каналу течь вверх или вниз».
Поэтому с полным правом ту формулировку закона электромагнитной индукции, в которой речь идёт о возникновении индукции при пересечении проводником магнитных силовых линий, называют фарадеевской. Из первых двух серий его «Исследований» она вытекает со всей ясностью и простотой. Но, как уже отмечалось, в той же первой серии содержатся мысли, подводящие его к исследованиям, составляющим содержание третьей серии. Представим себе процесс обычной электрической индукции. Пусть мы имеем шар А, заряжаемый от электрической машины положительным электричеством. Тогда в соседнем изолированном шаре В начинается движение электричества в том же направлении, шар электризуется через индукцию так, что на ближайшем конце его будет заряд обратного знака (рис. 210).
Аналогичным образом, по Фарадею, обстоит дело и при вольта-электри-ческой индукции. Если замкнуть цепь индуцирующего контура так, чтобы ток шёл в направлении от.А к В, то в индуктируемом контуре появится ток в направлении от В к А, составляющий продолжение тока от А к В. Отсюда, говорит Фарадей, «явствует, что индукционные действия, вызываемые вольта-электричеством, до известной степени сходны с таковыми, вызываемыми электричеством напряжения» (т. е. статическим). Таким образом Фарадей полагал, что в открытом им явлении вольта-электрической индукции имеется свидетельство в пользу воззрения о единстве электрических сил. С другой стороны, он отмечал, что между электростатической индукцией и вновь открытыми им вольта-электрической и магнитно-электрической индукциями имеется и различие. Это различие проявляется в том, что новое индукционное состояние временное. Электростатический индукционный заряд сохраняется всё время, пока рядом находится влияющий заряд, новая же индукция, как неоднократно отмечает Фарадей, носит характер волны. В связи с этим Фарадей развивает мысль о новом так называемом «электротоническом» (т. е. электровозбуждённом) состоянии материи.
«Когда проволока находится под действием вольта-электрической или магнито-электрической индукции, она находится в особом состоянии, так как противодействует образованию в ней электрического тока, в то время как при обычных условиях индукции такой ток должен был бы возникнуть. При прекращении указанного особого состояния проволока обладает способностью возбуждать ток - способностью, которой она не обладает в обычном своём состоянии…»
«Это особое состояние есть, повидимому, состояние напряжения и может быть рассматриваемо, как эквивалентное току электричества, по крайней мере равное тому току, который получается, когда это состояние индуцируется или прекращается…»
«…Напряжение этого состояния, по всей вероятности, очень велико, но независимо от его величины трудно себе представить, чтобы наличие такого напряжения оказалось бы без влияния на первоначальный индуцирующий ток и не вызвало бы какого-либо рода равновесия…»
«…электротоническое состояние относится не к массе, а к частицам индуцируемой проволоки или вещества и в этом отличается от индукции, производимой статическим электричеством. Если это верно, то это состояние может приниматься жидкостями и даже непроводниками без видимого наличия электрического тока; возникновение же тока является как бы случайностью, обязанной своим существованием проводящей способности моментального характера - движущей силе, обусловленной новым расположением частиц…»
«…В электротоническом состоянии однородные частицы материи принимают правильное расположение в направлении тока, навязанное им электрическими силами. Если материя неразложима, это приводит по освобождении от электрических сил к возникновению обратного тока; в случае же разложимой материи это насильственное состояние может стать достаточным для того, чтобы заставить одну элементарную частицу оставить ту частицу, с которой она насильственно соединена, и соединиться с соседней такой же частицей, с которой она находится в более нормальных отношениях; тем самым насильственное электрическое расположение оказывается разряжённым или освобождённым от электрических сил так же эффективно, как при прекращении индукции. Но так как вольтаический ток продолжается, то электротоническое состояние моментально возобновляется и вызывает насильственное расположение составных частиц, а затем так же мгновенно разряжается благодаря переносу противоположных элементарных частиц в противоположных, но параллельных току направлениях».
Так намечается очередная программа исследований: доказательство идентичности электричеств, электропроводность и химическое разложение жидкостей током, самоиндукция, роль вещества в электромагнитных процессах. А учение об электротоническом состоянии явилось тем зерном, из которого развились взгляды Фарадея об электромагнитном поле, конкретизируемом им с помощью представления о физических трубках сил.
Работы Фарадея об идентичности электричеств, составляющие содержание третьей серии «Экспериментальных исследований», подводили его к актуальным проблемам того времени: природа тока, механизм проводимости, происхождение электрического напряжения. В этих вопросах господствовала путаница и разноголосица мнений. Так, например, считалось, что действие гальванических элементов на замыкающие их провода заключается в приведении частиц провода в особое расположение, что и обусловливает соответствующие эффекты в проводах. С этой точки зрения роль полюсов источника заключалась в том, что они являются центрами сил, действующих на частицы проводников или на электрические жидкости. Примером такого представления является теория Гротгуса (1785-1822) о механизме разложения воды. Молекула воды, по Гротгусу (рис. 212), обладает электрическими полярными свойствами: водород электроположителен, кислород электроотрицателен. Под действием полюсов молекулы располагаются таким образом, что электроотрицательный кислород повернётся к положительному полюсу, электроположительный водород - к отрицательному полюсу. Ближайший к положительному полюсу кислород притянется этим последним, молекула воды расщепится, и освободившийся водород соединится с кислородом соседней молекулы, водород этой последней соединится с кислородом следующей и т. д., водород молекулы, находившийся у отрицательного полюса, выделится на этом полюсе. После этого все молекулы поворачиваются на 180°, и процесс начинается снова. Конечно, в итоге такого процесса получается движение ионов.
Фарадей показал, что представление о создании такого расположения частиц в проводниках не соответствует опытным данным. Установив симметрично две вольтовые батареи NP и N’P’, он соединил два соседних полюса N’ и Р, оставив противоположные полюсы N и Р’ изолированными. Магнитная стрелка, помещённая над соединительным проводом N’P, не отклонялась. Но она немедленно испытывала отклонение, если соединить полюсы N и Р’. «Если предположить, - заключает Фарадей, - что действие банок (т. е. батарей) заключается лишь в том, что они возбуждают в проводах особое распределение их частиц или заключённого в них электричества, и если бы магнитное или электрическое состояние исчерпывалось этим расположением, то состояние расположения в проводе N’P до соединения Р’ и N и
после такового должно было быть одинаковым и стрелка должна была бы испытать отклонение также и в первом случае, хотя возможно и более слабое, например, лишь половину того, которое наблюдается при полном замыкании. Если же предположить, что магнитные действия зависят от тока, тогда становится ясным, что они не могли быть возбуждены до замыкания, ибо до замыкания ток отсутствовал».
Но что же такое ток?
«Под током, - говорит Фарадей, - я разумею нечто распространяющееся, будь то электрический флюид или два движущиеся в противоположных направлениях флюида, или только колебания, или, выражаясь ещё более обще, распространяющиеся силы. Под расположением я понимаю местное, не прогрессирующее распределение частиц, жидкостей или сил».
Обратим внимание, в каких общих и осторожных выражениях Фарадей определяет ток. Для него ясно одно, что ток это динамический, прогрессирующий процесс, а не статика. Но состоит ли этот процесс в движении электрической жидкости, или это процесс передачи сил в пространстве, этот вопрос он пока оставляет открытым. Впоследствии он будет высказываться в пользу второй гипотезы, для него ток - ось сил.
Что же касается существа исследования, то вывод Фарадея вполне определён: «все виды электричества, независимо от источника их получения, идентичны по своей природе». Различные формы электричества (в соответствии с различными способами его возбуждения) «по существу однородны и различаются лишь по степени и в этом отношении варьируют, в зависимости от изменяющихся условий количества и интенсивности, которые могут быть по желанию изменены почти для каждого вида электричества в той же степени, как мы это наблюдаем между различными видами». Результаты своих исследований Фарадей свел в таблицу, которая показывает, что различные проявления электрических сил могут быть получены при любом способе возбуждения этих сил. Пустые места означают, что соответствующий эффект пока не был наблюдён, но сделанное Фарадеем примечание свидетельствует о его глубокой убеждённости, что соответствующи эффект будет получен при достаточно мощных источниках. Вот эта таблица:
Итак, качественно почти все явления наблюдаются одинаково у всех видов электричества. Различие только в количественном отношении, и Фарадей желает установить количественное отношение между обыкновенным (т. е. статическим) и вольтовым электричеством. Но для этого надо было найти рациональную меру для измерения электричества. Химические и магнитные действия представляются ему наиболее подходящими для этой цели. Проделанные им опыты приводят его к выводу, что «химические, равно как и магнитные силы, прямо пропорциональны абсолютному количеству прошедшего электричества».
Так был сформулирован первый закон Фарадея для электролиза. Количественные измерения позволили Фарадею установить, что статическое электричество - это электричество высокого напряжения и малой силы, в гальваническом электричестве соотношение обратное. Так, гальванический элемент, изготовленный из платиновой и цинковой проволочек диаметром в 1/6 дюйма, опущенных в подкисленную воду (капля серной кислоты на унцию воды) на глубину 5/8 дюйма, с взаимным расстоянием 5/16 дюйма, даёт за 6 секунд такое же количество электричества, которое получается при 30 оборотах сильной электростатической машины. Для разложения одного грана (= 0,065 г) воды требуется такое же количество электричества, которое способно зарядить большую лейденскую банку 800 000 раз.
Четвёртая серия «Экспериментальных исследований» посвящена вопросу электропроводности твёрдых тел и жидкостей. Различие между проводниками первого и второго рода было известно уже Вольту. Исследования Фарадея по проводимости явились подготовительными к будущим его электрохимическим исследованиям, но они же были первым шагом в формировании его основоположного воззрения о роли среды в физических взаимодействиях. Между прочим, в своих исследованиях Фарадей пришёл к выводу, что жидкости, кроме «электролитической» проводимости, имеют и «металлическую» проводимость. Эти наблюдения Фарадея до последнего времени считались не подтвержденными. Открытие твердых полупроводников поколебало представление о резкой грани между ионной и электронной проводимостью.
Изучению электролиза посвящены пятая и седьмая серии «Экспериментальных исследований». Здесь Фарадей прежде всего показывает, что источники статического электричества, лейденская банка и электростатическая машина также могут вызывать химическое разложение, как и гальваническое электричество. На основании своих опытов он полагает, что представление о внешней причине (притяжение полюсов), вызывающей химическое разложение молекул, несостоятельно. Основным физическим моментом является среда, масса электролита. Ток является осью сил, заполняющих эту среду. «Электрическое разложение обусловливается внутренним корпускулярным притяжением в телах, действующим в направлении электрического тока, и производится силой, которая либо притекла со стороны, либо только даёт направление присущему телам химическому сродству. Разлагаемое тело можно рассматривать как массу действующих частиц, из которых все, входящие в сферу влияния тока, принимают участие в процессе…
По моему мнению, эти действия производятся внутренними силами в теле, разлагаемом током, а не внешними силами, как можно было бы думать, если бы они были сосредоточены на полюсах…»; Если вдуматься в приведенную цитату, то можно видеть, насколько глубокими и проницательными были идеи Фарадея. «Замечательно, что Faraday, открывший законы электролиза, ничего нового не высказал по вопросу о механизме этого явления»,-высказывается проф. Хвольсон в своём известном курсе физики. Но как раз замечательно другое, что Фарадей впервые высказал идею не о внешнем разложении полюсами, а о внутреннем полярном разложении частиц. Идея поляризационного смещения, идея силового поля, действующего по определённому направлению, - все это существенно новые идеи, высказанные здесь Фарадеем. Они развивались и совершенствовались, но основное их содержание не изменялось. Законы электролиза Фарадея не стоят особняком в цепи его исследований и не противоречат его основным физическим воззрениям. Учитывая роль среды в физических взаимодействиях, фарадей мыслит о её структуре, и не случайно, что из воззрений Фарадея развилась не только физика поля, но и электронная теория.
В соответствии со своими воззрениями на электролиз, как на внутренний процесс, Фарадей считает существенно необходимым изменить номенклатуру обозначений. Полюса, подводящие ток к жидкости (её Фарадей называет электролитом - электрическим раствором), являются истоками и стоками линий электрического тока, воротами электрического процесса. Их Фарадей обозначает электродами («пути электричества»). Полюс, на котором выделяется кислород (идущие вверх частицы), называется анодом, полюс, на котором выделяется водород (идущие вниз частицы), называется катодом. Сами движущиеся частицы называются соответственно анионом и катионом, вообще - ионами. Эта номенклатура не сразу завоевала признание, но в настоящее время она общеупотребительна. Заметим, что Фарадей избегает терминов положительное и отрицательное электричество.
По воззрениям Фарадея, электролитическое действие «происходит от видоизменения химического средства в частицах, вызываемого электричеством; видоизменение состоит в том, что химическое сродство действует в одну сторону сильнее, чем в другую, и этим заставляет частицу переходить через новый ряд соединений и разложений в противоположном направлении и наконец на границе разлагаемого тела её выталкивает наружу».
В результате своих исследований Фарадей нашёл первый закон электролиза и установил пропорциональность количества вещества, выделенного при прохождении единицы электричества, химическому эквиваленту вещества. Этот важный закон впервые указал на дискретность электрического заряда, т. е. явился основой электронной теории. Принято считать, что вывод из закона Фарадея о дискретности электричества был сделан впервые Гельмгольцем в его фарадеевской речи, произнесённой в 1881 г. Но на самом деле уже Максвелл в своём «Трактате по электричеству и магнетизму» говорил о молекуле электричества. Однако, кого бы ни считать первым, высказавшим идею об атоме электричества, следует признать, что эта идея возникла из открытий Фарадея.
Электрохимические исследования Фарадея заставили его подойти вплотную к сложному и запутанному вопросу о связи химических сил и электричества, о споре контактной и химической теорий вольтова столба. Этому вопросу посвящены восьмая, шестнадцатая и семнадцатая серии «Экспериментальных исследований».
Спор шёл в то время о природе источника электрического напряжения в вольтовом столбе. Сторонники контактной теории утверждали, что электрическое напряжение, разделение электричества возникает всегда при контакте разнородных веществ и представляет собой первичное явление. Наоборот, сторонники химической теории (Де-ля-Рив, Беккерель) полагали, что разделение электричества при контакте представляет собой вторичное явление, результат химической реакции соприкасающихся веществ. Они указывали, что не может быть сухого соприкосновения разнородных металлов, поверхность соприкосновения гигроскопична и в жидкой плёнке действуют химические силы. Этот спор из важного, но по существу частного вопроса о природе контактной разности потенциалов превращался в общий принципиальный вопрос о превращении физических сил, о природе химических сил. Так, например, видный химик Берцелиус утверждал, что химические силы электрической природы являются результатом электрических притяжений и отталкиваний частиц.
Фарадей не мог согласиться с такой постановкой вопроса, у него были свои взгляды на природу электрических взаимодействий, которая определялась средой. Кроме того, его твёрдое убеждение в вечности, неразру-шимости физических сил не позволяло ему мириться с существованием «Контактная теория принимает, что сила, способная преодолеть столь большие сопротивления, как, например, сопротивление хороших и дурных проводников прохождению через них тока, и сопротивление электрического действия, дающего разложение тела, что подобная сила может возникнуть из ничего; далее, что без всякого изменения в действующих веществах, без всякой затраты движущей силы образуется ток, который непрерывно продолжается, несмотря на постоянное сопротивление, или же, как в вольтовых элементах с разложением, может быть прекращён только теми продуктами распада, которые он сам накопит на своём пути. Это было бы действительно созданием двигательной силы из ничего в отличие от всякой другой силы природы. Есть много процессов, при которых внешняя форма силы изменяется настолько, что происходит видимое превращение одной силы в другую. Так, мы можем превратить химические силы в электрический ток или последний в химическую силу. Прекрасные опыты Зеебека в Пельтье показывают взаимный переход теплоты и электричества, а из других опытов, Эрстеда и моих, вытекает взаимная обратимость электричества и магнетизма. И нет такого случая, не исключая даже электрического угря и ската, где бы сила была создана или получена без соответственной затраты чего-либо другого». Если отвлечься от двусмысленного, неясного термина «сила», то можно ли отчётливее выразить идею сохранения и превращения энергии? Гений Фарадея нашёл возможность найти в удручающем потоке фактов и теорий то руководящее начало, которое позволило физикам и химикам установить правильную точку зрения как в данном вопросе, так и других конкретных задачах. В ту пору, когда ещё так смутны и неясны были представления о силе, о химическом сродстве, наконец о самом электричестве, важно было найти такую руководящую нить. И, действительно, вскоре другу Фарадея, химику Шенбейну, открывшему озон, удалось установить компромиссную точку зрения, сводящуюся к тому, что в гальваническом элементе при соприкосновении различных веществ возникает напряжение, следствием которого являются химические реакции в замкнутой цени, доставляющие энергию тока. Эта точка зрения и легла в основу гельмгольцевской теории гальванического элемента. В то время Фарадей работал над электрохимическими процессами, были сделаны наблюдения, расширяющие область индукционных явлений. В 1834 г. Дженкин (и почти одновременно Массон) заметил усиление электрической искры при размыкании тока, если провод свить в спираль и вставить в неё железный сердечник. Чем длиннее провод и чем больше число витков, тем сильнее искра. Но удлинение провода означало увеличение сопротивления, что должно повлечь за собой ослабление тока, а следовательно, и уменьшение искры. Оба наблюдателя считали свой эффект противоречащим закону Ома и загадочным. Фарадей правильно усмотрел в новом явлении частный случай индукции и доказал существование экстратоков. Исследованию самоиндукции посвящена девятая серия «Экспериментальных исследований», вышедшая вместе с десятой серией в 1835 г., после чего в работе Фарадея наступил более чем двухлетний перерыв, вызванный сильным переутомлением. Классическими опытами, которые и поныне воспроизводятся на школьных демонстрациях, Фарадей доказал, что при размыкании экстраток имеет то же направление, что и основной ток, при замыкании он противоположен. Существование экстратоков снова вернуло его к идее электротонического состояния. «Я не могу сопротивляться впечатлению, что существует какой-то связанный и соответствующий эффект». Роль среды, окружающего пространства занимает его мысли. И после длительного перерыва он начинает одиннадцатую серию своих «Исследований» классическими опытами по электрической индукции. Мы знаем, что факт электростатической индукции послужил основой для эшшусовской теории дальнодействия. Мы знаем, далее, что в законе Кулона роль среды в электрических взаимодействиях игнорируется. Правда, Кэвендиш впервые обнаружил влияние среды в электростатических явлениях, но его опыты по электричеству не были опубликованы. Поэтому исторически понятие диэлектрика было введено впервые Фарадеем. Фарадеевские исследования электрической индукции знаменательны в двух отношениях. Здесь Фарадей открыто порывает с точкой зрения actio in distance и переносит центр физического исследования на среду. С другой стороны, в Зтих исследованиях живо чувствуется влияние «Писем» Эйлера. Воззрение на электричество как на некоторую модификацию эфира, проводимое Эйлером в этом сочинении, развивается Фарадеем дальше. Но так как воззрения Эйлера примыкали к ломоносовским, то можно установить замечательную преемственность: Ломоносов-Эйлер - Фарадей. Отметим, что «Письма к немецкой принцессе» Эйлера были одной из книг, оказавших сильное влияние на молодого Фарадея. Представление о некоторой деформации в частицах среды поляризационного характера отмечается уже вл первых исследованиях Фарадея по электропроводности. Это поляризационное состояние теперь Фарадей распространил и на эфир. Наэлектризованное тело приводит окружающее пространство в особое состояние, в результате чего через любую замкнутую, поверхность, окружающее тело, смещается электричество в количестве, равном заряду тела. С помощью замкнутой проводящей полости можно обнаружить такое смещение, а именно (теорема Фарадея): если внутрь замкнутой проводящей полости поместить наэлектризованные тела, то на внутренней стороне полости индуктируется заряд, противоположный по знаку заряду наэлектризованных тел и равный ему по величине, на внешней стороне индуктируется равный и одноименный заряд. Расположение зарядов внутри полости не играет никакой роли. Заземление оболочки приводит к защите внешнего пространства от действия внутренних зарядов. Эта теорема иллюстрируется известным опытом с цилиндром Фарадея. Если в металлический цилиндрический сосуд А поместить наэлектризованное тело С, изолированное от стенок сосуда, то электроскоп, соединённый с цилиндром, показывает один и тот же заряд независимо от положения С. С может находиться в Соприкосновении с внутренней стороной цилиндра, тогда после его изъятия листочки электроскопа остаются в прежнем положении, само же тело С оказывается незаряженным (рис. 215). Существенную роль диэлектрика Фарадей демонстрирует и таким классическим опытом. Пусть две металлические пластинки А и С соединены с золотыми листочками а и b. Соединим на мгновение А и С с землей и поместим посередине между ними заряжённую пластинку В. Тогда стороны А и С, обращённые к В, зарядятся вследствие индукции одинаково, и листочки а и b остаются в покое. Но если между А и С поместить диэлектрическую пластинку, симметрия нарушается, листочки а и b притягиваются (рис. 218). «Два латунных стержня в 0,3 дюйма толщины были введены с противоположных сторон в стеклянный шар до взаимного соприкосновения, воздух в шаре был сильно разрежен. Через стержни был пропущен электрический разряд из машины, и во время прохождения концы стержней были отделены друг от друга. В момент отрыва на конце отрицательного стержня появилось длительное свечение, между тем как положительный оставался совершенно тёмным. При увеличении расстояния на конце положительного стержня появился пурпуровый сноп или туман, направлявшийся прямо к отрицательному стержню. С увеличением промежутка этот сноп удлинялся, но никогда не доходил до соприкосновения с отрицательным свечением - между ними постоянно оставался короткий тёмный промежуток». «… Разьяснение этих явлений, было бы очень важно»-, - указывает Фарадей. «Если смотреть на эти явления, как на дальнейшее доказательство того, что основания распределения и разряда, следует искать в состоянии частиц диэлектрика, то было бы крайне важно знать в точности, в чём заключается различие действия в тёмных и светлых частях». Однако ближайшие исследования Фарадея не имеют целью доказать это положение и посвящены доработке вопроса об источниках электричества. Четырнадцатая серия доказывает тождественность электричества рыб с электричеством других источников. Шестнадцатая и семнадцатая серии посвящены вольтову столбу. В восемнадцатой серии Фарадей исследует природу открытого Армстронгом явления электризации паровой струи, вырывающейся из предохранительного клапана. Фарадей пришёл к выводу, что причиной такой электризации является трение частиц пара о стенки выводной трубки, причём конденсированные частицы заряжаются положительно, а стенки котла отрицательно. Семнадцатая серия появилась в 1840 г., восемнадцатая - в 1843 г. Казалось, что период творческого подъёма прошёл, и жалобы Фарадея на переутомление звучат чаще и чаще. Но намеченная им программа: доказать единство и взаимную превратимость сил природы, доказать универсальность мировой среды - эфира, ещё не выполнена. В 1845 г. он возвращается к ней и ищет влияния магнетизма на свет. К этому времени, работая над маяками, Фарадей исследовал и перепробовал много сортов стекла. Ему пришла в голову мысль исследовать влияние магнитного поля на поляризованный свет. Пучок света, поляризованный отражением от стеклянной поверхности, проходит через испытуемое стекло и затем через николь. Установив николь на темноту, подвергают стекло действию электромагнита: поле становится освещённым, и, чтобы получить вновь темноту, необходимо было повернуть николь на некоторый угол. Теперь Фарадей уже с большой уверенностью ищет доказательства влияния среды на магнитные взаимодействия. Насколько трудно было получить надёжный результат, можно судить по такой исторической справке. В 1802 г. Кулон опубликовал сообщение, что ему удалось наблюдать намагничивание дерева и других материалов. Испытуемый образец имел форму иглы длиной 7-8 мм и диаметром 3/4 мм (для металлов 1/4 мм) и подвешивался на тонкой шёлковой нити между двумя магнитами, обращёнными друг к другу разноимёнными полюсами. Однако выяснилось, что намагничивание было обусловлено присутствием железных частиц. Как мы уже упоминали выше, попытки Фарадея обнаружить намагничивание различных веществ не увенчались успехом. В новых опытах Фарадей использовал сильный электромагнит. Кусок тяжёлого стекла, подвешенный перед полюсом электромагнита, отталкивался последним. Изготовив из того же стекла стержень и поместив его между полюсами, он нашёл, что стержень располагается перпендикулярно силовым линиям, т. е. не по оси, а по экватору. Так был открыт диамагнетизм. Вместе с тем ему удалось установить, что многие тела, считавшиеся немагнитными, как, например, платина, палладий, сургуч и др., намагничиваются и располагаются аксиально, вдоль силовых линий. Эти вещества были названы парамагнитными. Исследованию новых магнитных действий посвящены серии двадцатая и двадцать первая. Какова причина столь полярно-противоположного поведения тел? Фарадей полагает, что разницу надо искать не в самих телах, а в их отношении к окружающей среде. Отсюда его интерес к изучению магнитных свойств газов и пламени (серии XXI и XXXI). Идею этих опытов можно уяснить из более поздних экспериментов по магнетизму жидкостей. В последующих пунктах Фарадей считает необходимым ещё раз разъяснить существо своей точки зрения на природу магнитных взаимодействий и её отношение к другим воззрениям на тот же предмет: «3301. В настоящее время существуют две или, скорее, три общие гипотезы о физической природе магнитной силы. Первая - гипотеза эфира, ведущая за собой представление об эфирных токах. Она изложена в простой форме Эйлером в его «Письмах», предназначенных для физика без математической подготовки. Согласно этой гипотезе магнитный флюид или эфир движется потоком через магниты, а также вещества и пространства, их окружающие. Затем существует гипотеза двух магнитных флюидов, присутствующих во всех магнитных телах и собирающихся на полюсах магнита, где они притягивают и отталкивают частицы обоих флюидов на расстоянии и, таким образом, вызывают притяжения и отталкивания тел, содержащих эти флюиды и находящихся на расстоянии друг от друга. Наконец, имеется гипотеза Ампера, которая предполагает существование электрических токов вокруг частиц магнитов. Токи эти, действуя на расстоянии на другие частицы, содержащие такие же токи, упорядочивают расположение частиц в массах, к которым принадлежат частицы, делая таким образом эти массы способными к восприятию магнитного действия. Каждая из этих идей в большей или меньшей степени варьируется различными физиками, но для моих целей достаточно этих трёх основных гипотез. Моё физико-гипотетическое представление не заходит так далеко, как вторая и третья из этих гипотез, ибо оно не занимается вопросом о возникновении или поддержании магнитной силы в магните. Моя гипотеза совпадает скорее с первой, хотя и не идёт так далеко. Принимая магнит за центр силы, окружённой силовыми линиями, которые в качестве представителей силы получили уже математическое обоснование и оправдание (Фарадей имеет в виду исследования В. Томсона, показавшего в ряде статей что метод силовых линий с успехом может быть применён для математического описания электростатических явлений.), она рассматривает эти линии, как физические (курсив Фарадея) линии сил, существенно необходимые как для существования силы внутри магнита, тай и для передачи её магнитным телам на расстоянии. Сторонники теории эфира могут рассматривать эти линии как токи или распространяющиеся вибрации, или стационарные колебания, или же, наконец, как состояния напряжения. По многим соображениям их необходимо считать существующими вокруг провода, несущего электрический ток, как и в том случае, когда они исходят из магнитного полюса». Фарадей считает, далее, что необходимо поставить вопрос «об истинном, но неизвестном, естественном, магнитном действии». «Нам нужно, - указывает он, - не множество различных методов представления сил, но единственно истинное физическое выражение как того, что раскрывают нам явления, так и законов, управляющих последними». При этом Фарадей полагает, что «из принятых в настоящее время гипотез - гипотезы флюидов и гипотезы токов - какая-либо одна должна быть неверна, а быть, может и обе». Своё убеждение Фарадей обосновывает указанием на то, что «ни одна из этих концепций не могла привести к открытию явления диамагнетизма и, как я думаю, явления магнитного вращения света». Таким образом, неплодотворность этих гипотез, которые в лучшем случае могли описать уже известные факты, но не стимулировали поисков новых эффектов, - вот в чём, по Фарадею, заключается их основной порок. И это, конечно, правильно. Фарадей, руководствуясь своими воззрениями, открыл столько нового, что он не мог не выработать убеждения, что в них отражается вернее и глубже, чем в старых воззрениях, сущность природы. Опыты Фуко, только что принесшие победу волновой теории света, внушали ему надежду, что «толь же успешно может быть решена задача об истинной сущности магнитных явлений. Фарадей уподобляет магнит Солнцу, магнитные линии - световым лучам и считает, что отсюда возможен экспериментальный подход. Он писал: «… бесспорно станет вопрос о наивозможно широком рассмотрении этой проблемы с точки зрения чисто физической, ибо если предположить существование физических линий магнитной силы, соответствующих (в смысле своего реального существования) световым лучам, то не представляется столь невероятным, что к ним можно будет подступиться экспериментальным путём. Разрешение вопроса об их существовании чрезвычайно важно, тем более что есть все основания надеяться на положительный ответ. Поэтому я предполагаю, не выдвигая никаких физических гипотез о природе магнита, кроме того, что было мною сказано в п. 3299, снова обратить внимание экспериментаторов, в несколько, правда, несвязной форме, на этот вопрос как с точки зрения недостаточности современных физических взглядов, так и с точки зрения возможного существования линий физических сил. Я ограничу свои замечания немногими пунктами, как-то: полярность, двойственность и т. д. В своей попытке я исхожу из следующих соображений: 1. Подтверждение математиками правильности представления о направлении и количестве магнитной силы при помощи абстрактных силовых линий. 2. Успешное применение этих линий во многих случаях мной лично (п. 3174). 3. Наблюдаемая аналогия между магнитной силой и другими двойственными силами как в статическом, так и динамическом состоянии, в особенности же аналогия между магнитом и вольтовой батареей или другим постоянным источником электрических токов. 4. Идея Эйлера о магнитных эфирах или циркулирующих флюидах. 5. Высказанное сэром Исааком Ньютоном твёрдое убеждение в том, что даже сила притяжения не может произвести действия на расстояние без посредства какого-либо агента, играющего роль физической линии силы. 6. Пример борьбы между двумя теориями света и разрешение этого вопроса экспериментальным путём». Это замечательное «завещание» Фарадея послужило программой для работ Максвелла и последующей плеяды великих физиков - Герца, Лебедева, Попова и других. К сожалению, мало обращалось внимания на идейные корни воззрений Фарадея (за исключением п. 5, где Фарадей говорит о Ньютоне, в связи с чем очень часто вспоминают о «нематериальном агенте») и на его отношение к современной ему идейной борьбе в физике. Мы ещё раз отмечаем здесь, что Фарадей определенно указывает на происхождение своих воззрений от Эйлера, а следовательно (о чём, конечно, он сам не знал) и от Ломоносова. Мы отметим здесь, что Фарадей следил за перипетиями великого спора о природе света и что его симпатии были не на стороне ньютонианцев. Более того, победа волновой теории дала возможность Фарадею надеяться и на победу его теории, его физических воззрений. «Александр Попов» - Попов был Почётным инженером-электриком (1899) и почётным членом Русского технического общества (1901). С 1901 года Попов - профессор физики Электротехнического института императора Александра III. Попов скоропостижно скончался 31 декабря 1905 (13 января 1906). Похоронен на Волковском кладбище в Санкт-Петербурге. Александр Степанович Попов. В 1871 году Александр Попов перевёлся в Екатеринбургское духовное училище. «Правила магнитного поля» - Для наглядного представления магнитного поля мы пользовались магнитными линиями. Определение силы Ампера. Для изображения магнитного поля пользуются следующим приемом. То отставленный на 900 большой палец покажет направление действующей на проводник силы. Правило левой руки. Правило правой руки для проводника с током. Правило правой руки. Краткий справочник школьника. «Физика». Сила, действующая на заряд. Такое поле называют неоднородным. «Колебательное движение 9 класс» - Какие колебания называются свободными? T = 2 П?L / g. Тема « Механические колебания» 9 класс. Математический маятник. Повторение пройденного. Какие системы тел называются колебательными? Какое движение называется колебательным? Что является главным отличием колебательного движения от других видов движения? Какие виды колебаний вы знаете? «Отражение света 9 класс» - Второй. Введем несколько определений. По приведенным рисункам постройте углы отражения. Закрепление. Проделаем опыт. В темноте мы увидим падающий и отраженный пучки света. Пучок света, падающий на поверхность, отражается ею во всех направлениях. Угол падения луча 50°. «Физика Термоядерные реакции» - Проблема: трудно удержать плазму. Что такое термоядерная реакция? Термоядерная реакция. «Термоядерная реакция» Выполнила: Сорочинская Александра 9 «а» класс. Управляемая термоядерная реакция - энергетически выгодная реакция. Подробно о реакции. Самоподдерживающиеся термоядерные реакции происходят в звездах. ТОКАМАК (тороидальная магнитная камера с током). Презентация по физике на тему. Реферат
по дисциплине «Физика» Тема: «Открытие явления электромагнитной индукции» Выполнил: Студент группы 13103/1 Санкт-Петербург 2. Опыты Фарадея. 3 3. Практическое применение явления электромагнитной индукции. 9 4. Список использованной литературы.. 12 Электромагнитная индукция - явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока - изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током. В 1820 г. Ганс Христиан Эрстед показал, что протекающий по цепи электрический ток вызывает отклонение магнитной стрелки. Если электрический ток порождает магнетизм, то с магнетизмом должно быть связано появление электрического тока. Эта мысль захватила английского ученого М. Фарадея. «Превратить магнетизм в электричество», - записал он в 1822 г. в своём дневнике . Майкл Фарадей
Майкл Фарадей (1791-1867) родился в Лондоне, в одной из беднейших его частей. Его отец был кузнецом, а мать - дочерью земледельца-арендатора. Когда Фарадей достиг школьного возраста, его отдали в начальную школу. Курс, пройденный Фарадеем здесь, был очень узок и ограничивался только обучением чтению, письму и началам счета. В нескольких шагах от дома, в котором жила семья Фарадеев, находилась книжная лавка, бывшая вместе с тем и переплетным заведением. Сюда-то и попал Фарадей, закончив курс начальной школы, когда возник вопрос о выборе профессии для него. Майклу в это время минуло только 13 лет. Уже в юношеском возрасте, когда Фарадей только что начинал свое самообразование, он стремился опираться исключительно только на факты и проверять сообщения других собственными опытами. Эти стремления доминировали в нем всю жизнь как основные черты его научной деятельности Физические и химические опыты Фарадей стал проделывать еще мальчиком при первом же знакомстве с физикой и химией. Однажды Майкл посетил одну из лекций Гэмфри Дэви, великого английского физика. Фарадей сделал подробную запись лекции, переплел ее и отослал Дэви. Тот был настолько поражен, что предложил Фарадею работать с ним в качестве секретаря. Вскоре Дэви отправился в путешествие по Европе и взял с собой Фарадея. За два года они посетили крупнейшие европейские университеты. Вернувшись в Лондон в 1815 году, Фарадей начал работать ассистентом в одной из лабораторий Королевского института в Лондоне. В то время это была одна из лучших физических лабораторий мира. С 1816 по 1818 год Фарадей напечатал ряд мелких заметок и небольших мемуаров по химии. К 1818 году относится первая работа Фарадея по физике. Опираясь на опыты своих предшественников и скомбинировав несколько собственных опытов, к сентябрю 1821 года Майкл напечатал «Историю успехов электромагнетизма». Уже в это время он составил вполне правильное понятие о сущности явления отклонения магнитной стрелки под действием тока. Добившись этого успеха, Фарадей на целых десять лет оставляет занятия в области электричества, посвятив себя исследованию целого ряда предметов иного рода. В 1823 году Фарадеем было произведено одно из важнейших открытий в области физики - он впервые добился сжижения газа, и вместе с тем установил простой, но действительный метод обращения газов в жидкость. В 1824 году Фарадей сделал несколько открытий в области физики. Среди прочего он установил тот факт, что свет влияет на цвет стекла, изменяя его. В следующем году Фарадей снова обращается от физики к химии, и результатом его работ в этой области является открытие бензина и серно-нафталиновой кислоты. В 1831 году Фарадей опубликовал трактат «Об особого рода оптическом обмане», послуживший основанием прекрасного и любопытного оптического снаряда, именуемого «хромотропом». В том же году вышел еще один трактат ученого «О вибрирующих пластинках». Многие из этих работ могли сами по себе обессмертить имя их автора. Но наиболее важными из научных работ Фарадея являются его исследования в области электромагнетизма и электрической индукции. Опыты Фарадея
Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимодействии сил природы, Фарадей пытался доказать, что точно так же, как с помощью электричества Ампер мог создавать магниты, так же и с помощью магнитов можно создавать электричество. Логика его была проста: механическая работа легко переходит в тепло; наоборот, тепло можно преобразовать в механическую работу (скажем, в паровой машине). Вообще, среди сил природы чаще всего случается следующее соотношение: если А рождает Б, то и Б рождает А. Если с помощью электричества Ампер получал магниты, то, по-видимому, возможно «получить электричество из обычного магнетизма». Такую же задачу поставили перед собой Араго и Ампер в Париже, Колладон – в Женеве. Строго говоря, важный отдел физики, трактующий явления электромагнетизма и индукционного электричества, и имеющий в настоящее время такое громадное значение для техники, был создан Фарадеем из ничего. К тому времени, когда Фарадей окончательно посвятил себя исследованиям в области электричества, было установлено, что при обыкновенных условиях достаточно присутствия наэлектризованного тела, чтобы влияние его возбудило электричество во всяком другом теле. Вместе с тем было известно, что проволока, по которой проходит ток и которая также представляет собою наэлектризованное тело, не оказывает никакого влияния на помещенные рядом другие проволоки. Отчего зависело это исключение? Вот вопрос, который заинтересовал Фарадея и решение которого привело его к важнейшим открытиям в области индукционного электричества. Фарадей ставит множество опытов, ведет педантичные записи. Каждому небольшому исследованию он посвящает параграф в лабораторных записях (изданы в Лондоне полностью в 1931 году под названием «Дневник Фарадея»). О работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф «Дневника» помечен номером 16041. Блестящее мастерство Фарадея-экспериментатора, одержимость, четкая философская позиция не могли не быте вознаграждены, но ожидать результата пришлось долгих одиннадцать лет. Кроме интуитивной убежденности во всеобщей связи явлений, его, собственно, в поисках «электричества из магнетизма» ничто не поддерживало. К тому же он, как его учитель Дэви, больше полагался на свои опыты, чем на мысленные построения. Дэви учил его: – Хороший эксперимент имеет больше ценности, чем глубокомыслие такого гения, как Ньютон. И тем не менее именно Фарадею суждены были великие открытия. Великий реалист, он стихийно рвал путы эмпирики, некогда навязанные ему Дэви, и в эти минуты его осеняло великое прозрение – он приобретал способность к глубочайшим обобщениям. Первый проблеск удачи появился лишь 29 августа 1831 года. В этот день Фарадей испытывал в лаборатории несложное устройство: железное кольцо диаметром около шести дюймов, обмотанное двумя кусками изолированной проволоки. Когда Фарадей подключил к зажимам одной обмотки батарею, его ассистент, артиллерийский сержант Андерсен, увидел, как дернулась стрелка гальванометра, подсоединенного к другой обмотке. Дернулась и успокоилась, хотя постоянный ток продолжал течь по первой обмотке. Фарадей тщательно просмотрел все детали этой простой установки – все было в порядке. Но стрелка гальванометра упорно стояла на нуле. С досады Фарадей решил выключить ток, и тут случилось чудо – во время размыкания цепи стрелка гальванометра опять качнулась и опять застыла на нуле! Гальванометр, оставаясь совершенно спокойным во все время прохождения тока, приходит в колебание при самом замыкании цепи и при размыкании ее. Оказалось, что в тот момент, когда в первую проволоку пропускается ток, а также когда это пропускание прекращается, во второй проволоке также возбуждается ток, имеющий в первом случае противоположное направление с первым током и одинаковое с ним во втором случае и продолжающийся всего одно мгновение. Вот тут-то и открылись Фарадею во всей ясности великие идеи Ампера – связь между электрическим током и магнетизмом. Ведь первая обмотка, в которую он подавал ток, сразу становилась магнитом. Если рассматривать ее как магнит, то эксперимент 29 августа показал, что магнетизм как будто бы рождает электричество. Только две вещи оставались в этом случае странными: почему всплеск электричества при включении электромагнита стал быстро сходить на нет? И более того, почему всплеск появляется при выключении магнита? На следующий день, 30 августа, – новая серия экспериментов. Эффект ясно выражен, но тем не менее абсолютно непонятен. Фарадей чувствует, что открытие где-то рядом. «Я теперь опять занимаюсь электромагнетизмом и думаю, что напал на удачную вещь, но не могу еще утверждать это. Очень может быть, что после всех моих трудов я в конце концов вытащу водоросли вместо рыбы». К следующему утру, 24 сентября, Фарадей подготовил много различных устройств, в которых основными элементами были уже не обмотки с электрическим током, а постоянные магниты. И эффект тоже существовал! Стрелка отклонялась и сразу же устремлялась на место. Это легкое движение происходило при самых неожиданных манипуляциях с магнитом, иной раз, казалось, случайно. Следующий эксперимент – 1 октября. Фарадей решает вернуться к самому началу – к двум обмоткам: одной с током, другой – подсоединенной к гальванометру. Различие с первым экспериментом – отсутствие стального кольца – сердечника. Всплеск почти незаметен. Результат тривиален. Ясно, что магнит без сердечника гораздо слабее магнита с сердечником. Поэтому и эффект выражен слабее. Фарадей разочарован. Две недели он не подходит к приборам, размышляя о причинах неудачи. «Я взял цилиндрический магнитный брусок (3/4 дюйма в диаметре и 8 1/4 дюйма длиной) и ввел один его конец внутрь спирали из медной проволоки (220 футов длиной), соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался». Секрет – в движении магнита! Импульс электричества определяется не положением магнита, а движением! Это значит, что «электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое». Рис. 2. Опыт Фарадея с катушкой Эта идея необыкновенно плодотворна. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, и движение проводника относительно магнита должно рождать электричество! Причем эта «электрическая волна» не исчезнет до тех пор, пока будет продолжаться взаимное перемещение проводника и магнита. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, действующий сколь угодно долго, лишь бы продолжалось взаимное движение проволоки и магнита! 28 октября Фарадей установил между полюсами подковообразного магнита вращающийся медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой – на периферии диска) можно было снимать электрическое напряжение. Это был первый электрический генератор, созданный руками человека. Так был найден новый источник электрической энергии, помимо ранее известных (трения и химических процессов), - индукция, и новый вид этой энергии - индукционное электричество. Опыты, аналогичные фарадеевским, как уже говорилось, проводились во Франции и в Швейцарии. Профессор Женевской академии Колладон был искушенным экспериментатором (он, например, произвел на Женевском озере точные измерения скорости звука в воде). Может быть, опасаясь сотрясения приборов, он, как и Фарадей, по возможности удалил гальванометр от остальной установки. Многие утверждали, что Колладон наблюдал те же мимолетные движения стрелки, что и Фарадей, но, ожидая более стабильного, продолжительного эффекта, не придал этим «случайным» всплескам должного значения... Действительно, мнение большинства ученых того времени сводилось к тому, что обратный эффект «создания электричества из магнетизма» должен, по-видимому, иметь столь же стационарный характер, как и «прямой» эффект – «образование магнетизма» за счет электрического тока. Неожиданная «мимолетность» этого эффекта сбила с толку многих, в том числе Колладона, и эти многие поплатились за свою предубежденность . Продолжая свои опыты, Фарадей открыл далее, что достаточно простого приближения проволоки, закрученной в замкнутую кривую, к другой, по которой идет гальванический ток, чтобы в нейтральной проволоке возбудить индуктивный ток направления, обратного гальваническому току, что удаление нейтральной проволоки снова возбуждает в ней индуктивный ток уже одинакового направления с гальваническим, идущим по неподвижной проволоке, и что, наконец, эти индуктивные токи возбуждаются только во время приближения и удаления проволоки к проводнику гальванического тока, а без этого движения токи не возбуждаются, как бы близко друг к другу проволоки ни находились. Таким образом, было открыто новое явление, аналогичное вышеописанному явлению индукции при замыкании и прекращении гальванического тока. Эти открытия вызвали в свою очередь новые. Если можно вызвать индуктивный ток замыканием и прекращением гальванического тока, то не получится ли тот же результат от намагничивания и размагничивания железа? Работы Эрстеда и Ампера установили уже родство магнетизма и электричества. Было известно, что железо делается магнитом, когда вокруг него обмотана изолированная проволока и по последней проходит гальванический ток, и что магнитные свойства этого железа прекращаются, как только прекращается ток. Исходя из этого, Фарадей придумал такого рода опыт: вокруг железного кольца были обмотаны две изолированные проволоки; причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая - вокруг другой. Через одну проволоку пропускался ток от гальванической батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. И вот, когда ток замыкался или прекращался и когда, следовательно, железное кольцо намагничивалось или размагничивалось, стрелка гальванометра быстро колебалась и затем быстро останавливалась, то есть в нейтральной проволоке возбуждались все те же мгновенные индуктивные токи - на этот раз: уже под влиянием магнетизма. Рис. 3. Опыт Фарадея с железным кольцом Таким образом, здесь впервые магнетизм был превращен в электричество. Получив эти результаты, Фарадей решил разнообразить свои опыты. Вместо железного кольца он стал употреблять железную полосу. Вместо возбуждения в железе магнетизма гальваническим током он намагничивал железо прикосновением его к постоянному стальному магниту. Результат получался тот же: в проволоке, обматывавшей железо, всегда возбуждался ток в момент намагничивания и размагничивания железа. Затем Фарадей вносил в проволочную спираль стальной магнит - приближение и удаление последнего вызывало в проволоке индукционные токи. Словом, магнетизм, в смысле возбуждения индукционных токов, действовал совершенно так же, как и гальванический ток. В то время физиков усиленно занимало одно загадочное явление, открытое в 1824 году Араго и не находившее объяснения, несмотря на то, что этого объяснения усиленно искали такие выдающиеся ученые того времени, как сам Араго, Ампер, Пуассон, Бабэдж и Гершель. Дело состояло в следующем. Магнитная стрелка, свободно висящая, быстро приходит в состояние покоя, если под нее подвести круг из немагнитного металла; если затем круг привести во вращательное движение, магнитная стрелка начинает двигаться за ним. В спокойном состоянии нельзя было открыть ни малейшего притяжения или отталкивания между кругом и стрелкой, между тем как тот же круг, находившийся в движении, тянул за собою не только легкую стрелку, но и тяжелый магнит. Это поистине чудесное явление казалось ученым того времени таинственной загадкой, чем-то выходящим за пределы естественного. Фарадей, исходя из своих вышеизложенных данных, сделал предположение, что кружок немагнитного металла, под влиянием магнита, во время вращения обегается индуктивными токами, которые оказывают воздействие на магнитную стрелку и влекут ее за магнитом. И действительно, введя край кружка между полюсами большого подковообразного магнита и соединив проволокою центр и край кружка с гальванометром, Фарадей получил при вращении кружка постоянный электрический ток. Вслед за тем Фарадей остановился на другом вызывавшем тогда общее любопытство явлении. Как известно, если посыпать на магнит железных опилок, они группируются по определенным линиям, называемым магнитными кривыми. Фарадей, обратив внимание на это явление, дал основы в 1831 году магнитным кривым название «линий магнитной силы», вошедшее затем во всеобщее употребление. Изучение этих «линий» привело Фарадея к новому открытию, оказалось, что для возбуждения индуктивных токов приближение и удаление источника от магнитного полюса необязательны. Для возбуждения токов достаточно пересечь известным образом линии магнитной силы. Рис. 4. «Линии магнитной силы» Дальнейшие работы Фарадея в упомянутом направлении приобретали, с современной ему точки зрения, характер чего-то совершенно чудесного. В начале 1832 года он демонстрировал прибор, в котором возбуждались индуктивные токи без помощи магнита или гальванического тока. Прибор состоял из железной полосы, помещенной в проволочной катушке. Прибор этот при обыкновенных условиях не давал ни малейшего признака появления в нем токов; но лишь только ему давалось направление, соответствующее направлению магнитной стрелки, в проволоке возбуждался ток. Затем Фарадей давал положение магнитной стрелки одной катушке и потом вводил в нее железную полосу: ток снова возбуждался. Причиною, вызывавшею в этих случаях ток, был земной магнетизм, вызывавший индуктивные токи подобно обыкновенному магниту или гальваническому току. Чтобы нагляднее показать и доказать это, Фарадей предпринял еще один опыт, вполне подтвердивший его соображения. Он рассуждал, что если круг из немагнитного металла, например, из меди, вращаясь в положении, при котором он пересекает линии магнитной силы соседнего магнита, дает индуктивный ток, то тот же круг, вращаясь в отсутствие магнита, но в положении, при котором круг будет пересекать линии земного магнетизма, тоже должен дать индуктивный ток. И действительно, медный круг, вращаемый в горизонтальной плоскости, дал индуктивный ток, производивший заметное отклонение стрелки гальванометра. Ряд исследований в области электрической индукции Фарадей закончил открытием, сделанным в 1835 году, «индуктирующего влияния тока на самого себя». Он выяснил, что при замыкании или размыкании гальванического тока в самой проволоке, служащей проводником для этого тока, возбуждаются моментальные индуктивные токи. Русский физик Эмиль Христофорович Ленц (1804-1861) дал правило для определения направления индукционного тока. «Индукционный ток всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле затрудняет или тормозит вызывающее индукцию движение, - отмечает А.А. Коробко-Стефанов в своей статье об электромагнитной индукции. - Например, при приближении катушки к магниту возникающий индукционный ток имеет такое направление, что созданное им магнитное поле будет противоположно магнитному полю магнита. В результате между катушкой и магнитом возникают силы отталкивания. Правило Ленца вытекает из закона сохранения и превращения энергии. Если бы индукционные токи ускоряли вызывающее их движение, то создавалась бы работа из ничего. Катушка сама собой после небольшого толчка устремлялась бы навстречу магниту, и одновременно индукционный ток выделял бы в ней теплоту. В действительности же индукционный ток создается за счет работы по сближению магнита и катушки. Рис. 5. Правило Ленца Почему возникает индукционный ток? Глубокое объяснение явления электромагнитной индукции дал английский физик Джемс Клерк Максвелл - творец законченной математической теории электромагнитного поля. Чтобы лучше понять суть дела, рассмотрим очень простой опыт. Пусть катушка состоит из одного витка проволоки и пронизывается переменным магнитным полем, перпендикулярным к плоскости витка. В катушке, естественно, возникает индукционный ток. Исключительно смело и неожиданно истолковал этот эксперимент Максвелл. При изменении магнитного поля в пространстве, по мысли Максвелла, возникает процесс, для которого присутствие проволочного витка не имеет никакого значения. Главное здесь - возникновение замкнутых кольцевых линий электрического поля, охватывающих изменяющееся магнитное поле. Под действием возникающего электрического поля приходят в движение электроны, и в витке возникает электрический ток. Виток - это просто прибор, позволяющий обнаружить электрическое поле. Сущность же явления электромагнитной индукции в том, что переменное магнитное поле всегда порождает в окружающем пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. Такое поле называется вихревым». Изыскания в области индукции, производимой земным магнетизмом, дали Фарадею возможность высказать еще в 1832 году идею телеграфа, которая затем и легла в основу этого изобретения. А вообще открытие электромагнитной индукции недаром относят к наиболее выдающимся открытиям XIX века - на этом явлении основана работа миллионов электродвигателей и генераторов электрического тока во всем мире... Практическое применение явления электромагнитной индукции
1. Радиовещание Переменное магнитное поле, возбуждаемое изменяющимся током, создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и т.д. Взаимно порождая друг друга, эти поля образуют единое переменное электромагнитное поле - электромагнитную волну. Возникнув в том месте, где есть провод с током, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света -300000 км/с. Рис. 6. Радио 2. Магнитотерапия В спектре частот разные места занимают радиоволны, свет, рентгеновское излучение и другие электромагнитные излучения. Их обычно характеризуют непрерывно связанными между собой электрическими и магнитными полями. 3. Синхрофазотроны В настоящее время под магнитным полем понимают особую форму материи состоящую из заряженных частиц. В современной физике пучки заряженных частиц используют для проникновения в глубь атомов с целью их изучения. Сила, с которой действует магнитное поле на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца. 4. Расходомеры-счетчики Метод основан на применении закона Фарадея для проводника в магнитном поле: в потоке электропроводящей жидкости, движущейся в магнитном поле наводится ЭДС, пропорциональная скорости потока, преобразуемая электронной частью в электрический аналоговый/цифровой сигнал. 5. Генератор постоянного тока В режиме генератора якорь машины вращается под действием внешнего момента. Между полюсами статора имеется постоянный магнитный поток, пронизывающий якорь. Проводники обмотки якоря движутся в магнитном поле и, следовательно, в них индуктируется ЭДС, направление которой можно определить по правилу "правой руки". При этом на одной щетке возникает положительный потенциал относительно второй. Если к зажимам генератора подключить нагрузку, то в ней пойдет ток. 6. Трансформаторы Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформатор представляет собой сердечник из тонких стальных изолированных одна от другой пластин, на котором помещаются две, а иногда и больше обмоток (катушек) из изолированного провода. Обмотка, к которой присоединяется источник электрической энергии переменного тока, называется первичной обмоткой, остальные обмотки - вторичными. Если во вторичной обмотке трансформатора намотано в три раза больше витков, чем в первичной, то магнитное поле, созданное в сердечнике первичной обмоткой, пересекая витки вторичной обмотки, создаст в ней в три раза больше напряжение. Применив трансформатор с обратным соотношением витков, можно так же легко и просто получить пониженное напряжение . Список использованной литературы
1. [Электронный ресурс]. Электромагнитная индукция. < https://ru.wikipedia.org/> 2. [Электронный ресурс].Фарадей. Открытие электромагнитной индукции. < http://www.e-reading.club/chapter.php/26178/78/Karcev_-_Maksvell.html > 3. [Электронный ресурс]. Открытие электромагнитной индукции. 4. [Электронный ресурс]. Практическое применение явления электромагнитной индукции. >> 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.
Это смещение, деформация частиц эфира, распространяется по кривым линиям. Фарадей показал это следующим опытом (рис. 216). Над наэлектризованным цилиндром был помещён металлический диск. В различных участках за этим диском f, g, h помещался пробный шарик. В ближайшей к цилиндру точке f заряд не индуктировался, но в g и h индукционный заряд можно было обнаружить. С точки зрения действия на расстояние следовало бы заключить о непосредственной передаче по прямым линиям и, следовательно, ожидать электризации в f. Поэтому Фарадей из факта экранирующего действия проводников (которое он продемонстрировал еще эффектным опытом с клеткой) сделал вывод о невозможности actio in distance, о роли среды. Для того чтобы исследовать влияние среды, фарадей изготовил сферические конденсаторы, названные им аппаратами распределения. Внешняя обкладка конденсатора состояла из двух металлических полусфер. Внутренний шар подвешивался на проволоке, окружённой сургучом. Пространство между обкладками можно было соединять с воздушным насосом, заполнять различными газами, а также заполнять жидкими изоляторами или расплавленными твёрдыми (серой, шеллаком). Один из таких конденсаторов заряжается и приводится в соприкосновение с другим. Если промежуточная среда одинакова, то заряд распределяется поровну. Иное будет, «ели один аппарат имеет воздушную прослойку, а другой - наполовину заполнен шеллаком. При одинаковых потенциалах внутренних обкладок (внешние заземлены) заряд распределится не поровну, ёмкость конденсатора с шеллаком увеличится. Различные тела обладают, как выражается Фарадей, различной индуктивной способностью. Вещества, способные передавать индукционные действия, он назвал диэлектриками. К диэлектрикам относится и чистый эфир. Диэлектрики, по Фарадею, являются носителями электрического состояния. Если удалить обкладки конденсатора и привести во взаимное соприкосновение (опыт с разбррным конденсатором), а затем вновь собрать конденсатор, то обкладки вновь зарядятся: диэлектрик сохранял своё поляризационное состояние.
Влияние среды должно иметь место во всех электрических явлениях, и вгчастности в электрическом разряде. Форма и характер разряда существенно зависят от промежуточной среды, химической природы газа, его давления, температуры. Фарадей начал изучение газового разряда, и его именем названо открытое им тёмное пространство в светящемся под действием разряда разреженном газе.
Итак, различные случаи электрических процессов приводят фарадея к выводу, что причину этих процессов следует искать во внутреннем состоянии частиц диэлектрика или проводника. Природа электрических сил - не дальнодействие, а близко действие. Таков, по мнению Фарадея, характер всех центральных сил. Но так называемые «поперечные» силы, т. е. силы взаимодействия токов, силы их магнитного поля, не зависят от свойств промежуточной среды. По крайней мере попытки фарадея обнаружить такое влияние успеха не имели: «…поперечная сила распределения токов, тоже способная действовать на расстояние, не распространяется таким же образом (т. е. как электрическая) через посредство промежуточных частиц». Всё же Фарадей полагает «возможным и даже вероятным, что магнитное действие передается на расстояние через посредство промежуточных частиц».
Так было открыто магнитное вращение плоскости поляризации. Сообщение об этом новом эффекте помещено в девятнадцатой серии «Экспериментальных исследований» под характерным названием «О намагничивании света и освещенности магнитных линий сил». Наиболее сильно вращало плоскость поляризации кремнеборное стекло, затем стекло с борнокислой окисью свинца. Так Фарадей открыл действие магнита на свет.
