§7. Магнитное поле способно создать электрический ток

После открытий Эрстеда и Ампе­ра стало ясно, что электричество способно созда-

вать магнитное поле.

Теперь предстояло решить обратную задачу – при помощи магнитного поля со-

здать электрический ток.

Эту задачу блистательно решил Майкл Фарадей.

Фарадей М. ( 1791-1867 )

Майкл Фарадей - английский физик. Исследования в области электричества, магнетизма, электрохимии. Создал лабораторную модель электродвигателя ( 1821 ). Открыл явление электромагнитной индукции ( 1831 ), сформулировал законы электролиза ( 1833 ).

Первым ввел понятие «магнитное поле» ( 1845 ). Создал учение об электромагнит-

ном поле. Высказал мысль о единстве сил природы ( различных видов энергии и их взаим-

ном превращении ( 1840 ).

Майкл Фарадей 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 обуче-

нием 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, закон-

чив 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 самообразова-

ние, он стремился опираться исключительно только на факты и проверять сообщения дру-

гих собственными опытами. Эти стремления доминировали в нем всю жизнь как основ-

ные 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 Гэм-

фри Дэви, великого английского физика. Фарадей сделал подробную запись лекции, пере-

плел 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 физи-

ке.

Опираясь на опыты своих предшественников и скомбинировав несколько собствен

ных опытов, к сентябрю 1821 года Майкл напечатал «Историю успехов электромагнетиз-

ма».

Уже в это время он составил вполне правильное понятие о сущности явления откло

нения магнитной стрелки под действием тока ( см. опыты Эрстеда ). После этого Фарадей на целых десять лет оставляет занятия в области электричества, посвятив себя исследова

нию 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 дейст

вительный 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 электромагне-

тизма и электрической индукции.

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.

В том же 1831 г. Фарадей блестяще решил задачу - получить электрический ток с помощью магнитного поля.

Дело в том, что до сих пор источником электрического тока были аккумуляторные батареи – тяжёлые, громоздкие и капризные в работе. Поэтому в те годы шёл интенсив-

ный поиск новых источников тока, которые не имели бы указанные недостатки.

Опыт, позволивший открыть явление электромагнитной индукции, состоял в сле-

дующем.

В катушку, соединенную с чувствительным гальванометром, вставлялся магнит

( рис. 3.6 ).

.

Рис. 3.6. Опыт, позволивший открыть явление электромагнитной индукции

Гальванометр показывал прохождение тока только при движении магнита внутри катушки. Если магнит не двигался, ток не возникал.

При этом, если направление перемещения магнита внутри катушки изменялось на противоположное, стрелка гальванометра отклонялась в другую сторону.

Сейчас уже известно, что ток возникает также в случае, если магнит неподвижен, а движется проводник. Такое происходит в генераторах постоянного тока.

ЭДС электромагнитной индукции возникает во многих других случаях ( см. ниже ), но в любом из этих случаев условие возникновения ЭДС одно и тоже, а именно:

движение магнитного поля и проводника относительно друг друга.

Легенда рассказывает, что в это же время аналогичные опыты проводил Ампер. Но

у него катушка с сердечником и гальванометр находились в разных помещениях.

Ампер же, подключив к катушке источник тока, шёл в соседнее помещение, наде-

ясь увидеть отклонение стрелки гальванометра. Однако он этого так никогда и не увидел.

Продолжая свои исследования, Фарадей выяснил, что для получения электродвижу

щей не обязательно перемещать магнит относительно проводника, как в опыте на рис.

3.6.

Можно поступить наоборот – перемещать проводник в магнитном поле ( рис. 3.7 ).

Рис. 3.7. Возникновение ЭДС при движении проводника в магнитном поле

Если перемещать проводник при помощи сторонней* силы со скоростью , то в проводнике возникнет ЭДС электромагнитной индукции ( В )

е = Blv sin α ( 3.4 ),

где В — величина магнитной индукции в теслах, Тл;

l — активная длина проводника (т. е. та его часть, которая на­ходится в магнит-

ном поле), м;

v — скорость движения проводника, м/сек;

α — угол между направлением магнитной индукции В и направ­лением скорости движения проводника v.

Обычно в электри­ческих машинах α = 90°, т. е. sin α = 1, поэтому в реальных машинах выражение ЭДС ( 6.101 ) упрощается, а именно:

е = Blv (3.5 ).

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки:

если правую руку расположить так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, а отогнутый большой палец расположить по направлению движения проводника, то вытянутые пальцы покажут направление ЭДС ( от «минуса» к «плюсу» ).

Примечание.

Сторонняя сила – значит, не связанная с электричеством, не электромагнитная.

В данном случае сторонняя сила – это механическая сила, перемещающая провод-

ник в магнитном поле. Во вращающихся генераторах эту силу создает дизель или турби-

на.

В 1835 г. Фарадей открыл явление самоиндукции. Он выяснил, что при замыкании или размыкании гальванического тока в самой проволоке, служащей проводником для это

го тока, возбуждаются «моментальные индуктивные токи».

Русский физик Эмиль Христофорович Ленц (1804 – 1861 гг. ) предложил правило для определения направления индукционного тока:

«Индукционный ток всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле за-

трудняет или тормозит вызывающее индукцию дви­жение.

Например, при приближении катушки к маг­ниту возникающий индукционный ток имеет такое направление, что со­зданное им магнитное поле будет противоположно магнит

ному полю магнита. В результате между катушкой и магнитом возникают силы отталкива

ния.

В то же время при удалении катушки от магнита между ними возникает сила притя

жения – магнит «не отпускает» катушку».

Почему возникает индукционный ток? Глубокое объяснение явле­ния электромаг-

нитной индукции дал английский физик Джемс Клерк Максвелл - творец законченной ма-

тематической теории электромаг­нитного поля ( см. ниже ).

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.

В честь Фарадея названа единица измерения ёмкости конденсатора – фарад ( не фа-

рада! ).