Уистоков электрической реки: притягательность открытия
- Одним из самых больших шагов в науке об магнетизме и электричестве по праву можно считать открытие Майклом Фарадеем электромагнитной индукции
Именно на этом явлении основан принцип электрогенераторов и действия трансформаторов, преображающих механическую энергию в электричество
магнетизм и Магниты: магнитное поле появляется при перемещении электронов в некоторых материалах, и при прохождении тока через провода либо катушки
- Испытания Фарадея: изучая электромагнитную индукцию, Фарадей обматывал металлическое кольцо проводом, подсоединенным к полюсам батареи. Второй провод, охватывающий часть кольца, вел к гальванометру. Внизу — вариант с постоянным магнитом и катушкой
Огромные генераторы, установленные на электростанциях, применяют принцип электромагнитной индукции, открытый Фарадеем посредством мелкого металлического кольца
- Электрические автомобили. Германия, XIX век
Современные автомобили, приводимые в перемещение тем же принципом, смогут принимать разные формы, от трансформаторов и мощных генераторов ТЭС в Бранденбурге
до поезда, «парящего» над рельсами экспериментальной магистрали в Эмсленде на «магнитной подвеске»
Продолжительное время природа скрывала от человека собственную электромагнитную сущность, потому, что предусмотрела узкий баланс между электрическими зарядами в окружающем мире, начиная с отдельных атомов и заканчивая сложными организмами наподобие нас с вами. В то время, когда эту тайную удалось разгадать, люди сходу обратили эти силы природы себе на пользу, для чего им было нужно создать новую науку — об электромагнитных особенностях веществ.
В цепи открытий, которые связаны с изучением электрических и магнитных явлений в последние три столетия, тяжело выбрать самое ответственное. И создание «лейденской банки», и изобретение электрической батареи, и обнаружение химического, теплового и, наконец, магнитного действия электрического тока были ответственными этапами в понимании природы электромагнетизма.
Кульминационным моментом бессчётных, красивых и трудоемких, хитроумных и несложных опытов стало создание теории, заключенной в четырех несложных на первый взгляд уравнениях, известных сейчас как уравнения Максвелла. Практически каждым из этих открытий мы так или иначе пользуемся в отечественной повседневной жизни: батарейками, лампочками, электродвигателями, телефоном и телеграфом.
Но самым большим в науке об магнетизме и электричестве по праву можно считать открытие Фарадеем электромагнитной индукции. На этом явлении основан принцип электрогенераторов и действия трансформаторов, преобразующих механическую энергию в электрическую. Открытие электромагнитной индукции больше, чем любое второе научное достижение, содействовало широкому его доступности и распространению электричества, что без преувеличения до неузнаваемости поменяло нашу жизнь всего за каких-то сто лет.
Что такое электромагнитная индукция
В теории электродинамики имеется дифференциальное уравнение, обрисовывающее явление электромагнитной индукции как связь между изменением и электрическим напряжением магнитного поля во времени. Но перед тем как показалось уравнение, был установлен экспериментальный факт: в проводнике, попавшем в изменяющееся во времени магнитное поле, появляется электродвижущая сила (э.д.с.), пропорциональная скорости трансформации поля.
Это и имеется открытый Майклом Фарадеем закон электромагнитной индукции. Э.д.с. действует на заряды проводника, и в случае если цепь замкнута, в ней начинает течь электрический ток. Меняя магнитное поле, не имеет значения, двигая сам проводник либо магнит, возможно генерировать электрический ток и перевоплотить так механическую энергию в электрическую — а это уже использование на практике закона.
Самый несложный «домашний» пример электрогенератора — фонарик-жучок. В «жучка» находится постоянный магнитик, сделанный в виде диска, что мы крутим, нажимая ручку. Одна половинка диска — это северный полюс магнита, вторая — южный.
Около магнитика-ротора без движений закреплены две маленькие полукруглые катушки. В то время, когда мы вращаем магнит-ротор, магнитное поле, в котором находятся катушки, все время изменяется, через них течет переменный ток, и горит подключенная к катушкам маленькая лампочка накаливания.
Сейчас показался второй вариант фонарика без батареек называющиеся «фонарь Фарадея». В то время, когда вы его трясете, магнит в форме цилиндра двигается около катушки, соединенной с конденсатором, в катушке появляется конденсатор и ток заряжается. А разряжается он через светодиод.
Еще один бытовой пример — электродинамический микрофон, применяемый в совокупностях усиления звука. В нем катушечка, прикрепленная к диафрагме, колеблется под действием голоса между полюсами постоянного магнита. Так механическая энергия отечественных голосовых связок преобразуется в электрическую.
на данный момент электромагнитная индукция думается несложной и понятной, а 250 лет назад ученые лишь начали догадываться о связи между магнетизмом и электричеством, и было нужно приложить много упрочнений, дабы люди взяли в собственный распоряжение столько эргономичных, а довольно часто и незаменимых устройств.
Монахи на работе науки
Испытания с электричеством стали очень популярны в середине XVIII века. Были придуманы машинки для добывания электричества трением, проводились эффектные демонстрации с воспламенением эфира, пропусканием искры через качающуюся на качелях женщину а также для изготовление электризованной воды, считавшейся нужной для здоровья.
И вот в 1745 году один германский каноник и в один момент с ним физик из Лейдена Питер фон Мушенбрек, укрепив в горлышке банки с водой гвоздь, дотронулись им до проводника действующей электрической автомобили. По окончании прерывания контакта прикосновение к гвоздю позвало весьма мощный удар, от которого у каноника онемели плечо и рука, а у Мушенбрека «все тело содрогнулось, как от молнии».
Опыт стали повторять везде, а француз Жан Нолле кроме того добился «содрогания» целой цепи державшихся за руки монахов в картезианском монастыре в Париже. Так показалась на свет «лейденская банка», попросту говоря, конденсатор.
А все-таки он движется
По стечению событий в год открытия лейденской банки появился Алессандро Вольта, что через пятьдесят лет изобрел собственную электрическую батарею, и у физиков наконец показалась превосходная возможность приобретать электрический ток достаточной длительности, дабы постараться отыскать связь между электрическими и магнитными явлениями. Лишь спустя 2 десятилетия, в первой половине 20-ых годов XIX века, был взят первый итог: тезка известного сказочника Ганс Христиан Эрстед нашёл отклонение стрелки компаса под действием тока, текущего на протяжении меридиана.
А блестящий экспериментатор Андре Мари Ампер предсказал и подтвердил экспериментально, что металлический брусок, помещенный вовнутрь спирали, по которой течет ток, намагничивается. Это положило начало разработке весьма полезных устройств — электромагнитов, каковые и по сей день остаются незаменимыми элементами многих электрических устройств.
Скоро Эрстед сказал о взаимности открытого им электромагнитного явления — он замечал перемещение подвешенной на проволоке батарейки, включенной в цепь, при приближении к ней магнита. Эти удачи разрешили Майклу Фарадею создать весьма простое, но серьёзное приспособление: финиш подвешенного проводника был опущен в резервуар с ртутью, в который снизу входил легко выступающий над поверхностью ртути вертикальный магнит.
При пропускании тока через ртуть и проводник последний начинал вращаться около магнита. Это был уже практически электродвигатель! В современных его вариантах нет страшной ртути, а постоянный магнит довольно часто заменен электромагнитом, но принцип действия не изменился.
Сейчас оставалось ответить на последний вопрос: в случае если электрический ток формирует магнитное поле, предусмотрела ли природа обратный вариант?
Открытие века
Продолжительное время испытания не приносили результатов. Как ни располагали магниты около катушек либо проводов, никаких токов не появлялось. И вот в первой половине 30-ых годов девятнадцатого века Фарадей сделал собственный самое великое открытие — явления электромагнитной индукции.
Фарадей увидел, что ток появляется в любых ситуациях, в то время, когда магнитное поле изменяется. К примеру, из-за перемещения магнита либо из-за возрастания либо уменьшения тока (в случае если роль магнита делает проводник с током). Для демонстрации на металлическое кольцо наматывали два провода, один соединялся с батареей, второй — с гальванометром. При замыкании первой цепи наблюдалось резкое отклонение стрелки гальванометра, при размыкании — отклонение противоположного символа.
Так Фарадею удалось «взять электричество из магнетизма». По окончании бессчётных опытов он сам создал первый пример генератора электрического тока, хорошего от батареи. Справедливости для направляться заявить, что практически в один момент с Фарадеем, но независимо от него явление электромагнитной индукции нашёл и американский физик Джозеф Генри.
Последний штрих
Пара десятилетий пригодилось, дабы перейти к промышленному применению открытия. Ответственным этапом на этом пути стал переход от постоянных магнитов к более действенным электромагнитам. Но тут сначала появились кое-какие трудности.
Так как электромагнит формирует магнитное поле, лишь в случае если по нему течет ток, и приходилось применять отдельную магнитоэлектрическую машину либо батарею для возбуждения самого электромагнита главного генератора. И тут не обошлось без физического открытия, разрешившего в итоге решить эту проблему.
Во второй половине 60-ых годов XIX века сходу пара исследователей нашли принцип самовозбуждения, и среди них предприниматель и немецкий инженер Вернер Сименс (основатель широко известной компании Siemens), о чем он и сделал доклад в Берлинской Академии «О превращении рабочей силы в электрический ток без применения постоянных магнитов». Именно поэтому открытию показалась динамо-машина — электрогенератор, что возбуждает собственные электромагниты собственным током.
Явление это не имеет ничего общего с выдумками барона Мюнхгаузена, что сам себя вытащил из болота. С сохранением энергии тут все в порядке: по окончании выключения тока у сердечника из мягкого железа отмечается некая остаточная намагниченность, достаточная чтобы с началом вращения создать маленький ток в электромагните и соответственно магнитное поле, которое со своей стороны начнет индуцировать ток в главной цепи генератора.
Современные электрогенераторы отличаются поразительным разнообразием. От маленьких устройств до огромных тысячетонных генераторов ГЭС диаметром с дюжина метров. Открытие электромагнитной индукции выяснилось такими полезным и универсальным, что его важность и практическую сокровище, пожалуй, тяжело переоценить.
В то время, когда Фарадею то ли лорд-канцлер, то ли глава правительства в один раз задал вопрос о пользе его открытия, ученый, не смотря на то, что и был начисто лишен предпринимательской жилки, ответил так: «Она в том, господин, что Вы, возможно, в недалеком будущем сможете приобретать с этого налоги».
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№32, июнь 2005).
<
h4>