«Так как я уже давно рассматривал силы, проявляющиеся в электрических явлениях всеобщими природными силами, то я должен был отсюда вывести и магнитные действия. Я высказал поэтому гипотезу, что электрические силы, когда они находятся в сильно связанном состоянии, должны оказывать на магнит некоторое действие.
Я не мог тогда проделать опыт для проверки, так как совершал путешествие и внимание мое было занято целиком разработкой химической системы 4 .
Ханс Кристиан Эрстед
Открытие Эрстеда, сделанное им в 1819 г. и опубликованное в 1820 г., заключалось в следующем. Эрстед обнаружил, что если возле магнитной стрелки поместить прямолинейный проводник, направление которого совпадает с направлением магнитного меридиана, и пропустить через него электрический ток, то магнитная стрелка отклоняется. Величину момента силы, действующего на магнитную стрелку под влиянием электрического тока, Эрстед не определил. Он только отметил, что угол, на который отклоняется стрелка под действием тока, зависит от расстояния между ней и током, а также, говоря современным языком, от силы тока (во времена Эрстеда еще не было твердо установлено понятие силы тока).
Теоретические соображения Эрстеда по поводу сделанного им открытия не отличались достаточной ясностью. Он говорил, что в окружающих точках пространства возникает «электрический конфликт», который имеет вокруг проводника вихревой характер. Статью, в которой впервые сообщалось об этом открытии, Эрстед называет «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку».
Андре Мари Ампер
Открытие Эрстеда вызвало большой интерес и послужило толчком к новым исследованиям. В том же 1820 г. были получены новые результаты. Так, Араго показал, что проводник с током действует на железные предметы, которые при этом намагничиваются. Французские физики Био и Савар установили закон действия прямолинейного проводника с током на магнитную стрелку. Поместив магнитную стрелку около прямолинейного проводника с током и наблюдая изменение периода колебаний этой стрелки в зависимости от расстояния до проводника, они установили, что сила, действующая на магнитный полюс со стороны прямолинейного проводника с током, направлена перпендикулярно проводнику и прямой, соединяющей проводник с полюсом, а ее величина обратно пропорциональна этому расстоянию. Этот результат был проанализирован, и после введения понятия элемента тока был установлен закон, известный под названием закона Био - Савара.
Также в 1820 г. был получен новый важный результат в области электромагнетизма французом Андре Мари Ампером (1775-1836). К этому времени Ампер был уже известным ученым, имел ряд трудов по математике, физике и химии. Кроме того, Ампера привлекали биология и геология. Он живо интересовался философией и в конце жизни написал большой труд «Исследование по философским наукам», посвященный вопросу классификации наук. Мировоззрение Ампера формировалось в значительной степени под влиянием французских просветителей и материалистов. Его взгляды на физические явления отличались от взглядов большинства его современников. Он был противником концепции «невесомых». «Разве надо, - говорил Ампер, - для каждой новой группы явлений придумывать специальный флюид?» Ампер очень быстро принял волновую теорию света, которая, по словам Араго, наряду с теорией самого Ампера, объясняющей магнитные явления электрическими, «стала его любимой теорией» 5 . Ампер был противником теории теплорода и считал, что сущность теплоты заключается в движении атомов и молекул. Он даже написал работу, посвященную волновой теории света и теории теплоты. В начале сентября 1820 г. Араго сообщил французским академикам об открытии Эрстеда и вскоре продемонстрировал его опыты на заседании Парижской Академии наук. Ампер чрезвычайно заинтересовался этим открытием. Прежде всего оно натолкнуло его на мысль о возможности сведения магнитных явлений к электрическим и исключении представления о специальной магнитной жидкости. Вскоре Ампер уже докладывал о своих новых гипотезах и говорил об опытах, которые должны их подтвердить. В кратком резюме своего первого доклада Ампер писал:
«Я свел явления, наблюденные г. Эрстедом, к двум о5щим фактам, я показал, что ток, существующий в вольтовом столбе, действует на магнитную стрелку так же, как и ток соединительной проволоки. Я описал опыты, при помощи которых я установил притяжение или отталкивание всей магнитной стрелки под действием соединяющей проволоки. Я описал приборы, которые предполагал соорудить и, между прочим, гальванические винты и спирали. Я указал, что последние будут производить во всех случаях те же действия, что и магниты. Затем я коснулся некоторых подробностей относительно своего воззрения на магниты, согласно которому они обязаны своим свойствам единственно электрическим токам, расположенным в плоскостях, перпендикулярных их оси. Я коснулся также некоторых подробностей относительно подобных же токов, предполагаемых мною в земном шаре. Таким образом, все магнитные явления я свел к чисто электрическим действиям» 6 .
В конце 1820 - начале 1821 г. им было сделано более десяти докладов. В них Ампер сообщал как о своих экспериментальных исследованиях, так и о теоретических соображениях. Ампер показал на опыте взаимодействие двух прямолинейных проводников с током, взаимодействие двух замкнутых токов и т. д. Он также демонстрировал взаимодействие соленоида и магнита; эквивалентное поведение соленоида и магнитной стрелки в поле земного магнетизма и ряд других опытов.
Теоретические выводы Ампера являлись развитием идей, высказанных им в первом сообщении: теперь они были подтверждены опытными исследованиями. Свойства магнита он объяснял наличием в нем токов, а взаимодействие магнитов - взаимодействием этих токов. Сначала Ампер считал эти токи макроскопическими, несколько позже он пришел к гипотезе молекулярных токов. Соответствующую точку зрения Ампер развивает и по вопросу о земном магнетизме, полагая, что внутри Земли протекают токи, которые обусловливают ее магнитное поле.
Теоретические соображения Ампера встретили со стороны некоторых физиков возражения. Не все сразу могли отказаться от существования «магнитного флюида». Кроме того, взгляды Айпера, казалось, не укладывались в общее представление о физических явлениях, в частности, они предполагали наличие сил, зависящих не только от расстояния, но и от движения (от силы тока). Наконец, они могли казаться видоизменением картезианских идей. И действительно, Ампер высказывался в картезианском духе о силах, действующих между электрическими токами. Он писал, что «стремился объяснить ее (силу - Б. С.) реакцией жидкости, разлитой в пространстве, колебание которой вызывает световое явление» 7
Однако такие рассуждения не характерны для Ампера, и его главный труд называется «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта».
Особенно активным противником теории Ампера был Био, который предложил другое объяснение взаимодействия электрических токов. Он полагал, что когда по проводнику протекает электрический ток, то под его действием хаотично расположенные магнитные диполи, которые имеются в проводнике, определенным образом ориентируются. В результате этого проводник приобретает магнитные свойства и возникают силы, действующие между проводниками, по которым течет электрический ток.
Против этой теории Ампер возражал, основываясь на открытии Фарадеем так называемого электромагнитного вращения. Фарадей с помощью специального прибора (рис. 51) установил факт непрерывного вращения магнита вокруг тока и тока вокруг магнита (1821). Ампер писал:
«Как только было опубликовано открытие первого непрерывного вращательного движения, сделанное Фарадеем, я сразу же увидел, что оно целиком опровергает эту гипотезу, и вот в каких выражениях я изложил мою мысль... Движение, продолжающееся постоянно в одном направлении, несмотря на трение, несмотря на сопротивление среды, и притом движение, вызываемое взаимодействием двух тел, остающихся все время в одном состоянии,- беспримерный факт среди всего, что мы знаем о свойствах неорганической материи. Он доказывает, что действие, исходящее из гальванических проводников, не может быть вызвано особым распределением некоторых жидкостей, находящихся в этих проводниках в состоянии покоя, которому обязаны своим происхождением обыкновенные электрические притяжения и отталкивания. Это действие можно приписать только жидкостям, которые движутся в проводнике, быстро переносясь от одного конца к другому» 8 .
Действительно, ни при каком постоянном расположении силовых центров (каковыми являются магнитные диполи Био) нельзя добиться их непрерывного движения так, чтобы они все время возвращались в первоначальное положение. Иначе опровергался бы принцип невозможности вечного двигателя.
Открыв взаимодействие токов, эквивалентность магнита и соленоида и т. д., а также выдвинув ряд гипотез, Ампер поставил перед собой задачу установить количественные законы этого взаимодействия. Для ее решения естественно было поступить аналогично тему, как поступали в теории тяготения или электростатике, а именно представить взаимодействие конечных проводников с током как результат суммарного взаимодействия бесконечно малых элементов проводников, по которым течет электрический ток, и таким образом свести указанную задачу к нахождению дифференциального закона, определяющего силу взаимодействия между элементами проводников с током или между элементами токов.
Однако эта задача является более трудной, нежели соответствующая задача в теории тяготения или электростатике, так как понятия материальной точки или точечного заряда имеют непосредственный физический смысл и с ними можно было проводить опыт, тогда как элемент электрического тока такого смысла не имел и реализовать его в то время было невозможно. Ампер поступает следующим образом. На основании известных опытных данных он выдвигает гипотезу о том, что сила взаимодействия между элементами проводников с током такова:
где i 1 и i 2 - сила токов, ds 1 и ds 2 - элементы проводников, r - расстояние между элементами, n - некоторое (пока неизвестное) число, Φ (ε, θ 1 , &theta 2 ;) - еще не известная функция углов, определяющих взаимное расположение элементов проводников (рис. 52).
Предположения эти имеют разный характер. Так, предположение о зависимости dF от силы тока следует непосредственно из экспериментов. Предположение, что сила dF должна быть пропорциональна ds 1 и ds 2 , а также некоторой, пока не известной функции углов, также можно рассматривать как следствие, полученное из опытов, хотя и не непосредственно. Предположение о зависимости dF от расстояния между элементами оков основано, безусловно, уже только на предполагаемой аналогии с силами тяготения или силами взаимодействия между электрическими зарядами.
Определить п и выражение функции углов Φ (ε, θ 1 , &theta 2 ;) можно, измерив силы взаимодействия между проводниками с током, различно расположенными друг относительно друга, разной величины и формы. Однако во времена Ампера это сделать было очень трудно, так как рассматриваемые токи были невелики. Ампер вышел из положения, исследовав случаи равновесия проводников с токами различно расположенных и разной формы. В результате он определил n и Φ (ε, θ 1 , &theta 2 ;) и получил окончательный результат для закона взаимодействия элементов токов:
В векторной форме и соответствующих единицах этот закон имеет вид
где dFi3 - сила, действующая на второй элемент тока.
Таким образом, закон, установленный Ампером, отличается от закона взаимодействия двух элементов токов, который в настоящее время называют законом Ампера и выражают формулой
Ошибка, допущенная Ампером, не повлияла на результаты расчетов, так как закон, естественно, применяли для простых случаев определения взаимодействия замкнутых проводников с постоянными токами. В этом случае обе формулы приводят к одному и тому же результату, так как они отличаются друг от друга на величину, которая при интегрировании по замкнутому контуру дает нуль.
В 1826 г. был издан основной труд Ампера «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». В этой книге Ампер систематически изложил свои исследования по электродинамике и, в частности, привел вывод закона взаимодействия элементов токов. В заключение обзора работ Ампера следует отметить, что он использовал понятие и* термин «сила тока», а также понятие «напряжение», хотя и не приводил ясной и четкой формулировки этих понятий. Амперу также принадлежит идея создания прибора для измерения силы тока (амперметра). Наконец, следует указать, что Ампер высказал идею электромагнитного телеграфа, которая затем была реализована на практике.
Важным достижением электродинамики первой половины XIX в. было установление законов цепи постоянного тока. Уже в начале XIX в. было высказано предположение, что сила тока (действие тока) в цепи зависит от свойств проводников. Так, Петров элемента тем больше, чем больше поперечное сечение проводников. Несколько позже зависимость химического действия тока.от проводников установил Дэви, который показал, что это действие тем больше, чем короче проводники и чем больше их сечение.
Георг Ом
В середине 20-х годов исследованием цепи постоянного электрического тока занялся немецкий физик Георг Ом (1787-1854). Прежде всего Ом экспериментально установил, что величина электрического тока зависит от длины проводников, их сечения и от числа гальванических элементов, включенных в цепь. Для измерения силы тока Ом использовал простейший гальванометр, представляющий собой крутильные весы, на нити которых была подвешена магнитная стрелка; Под стрелкой располагали проводник, включенный в цепь электрического тока. Когда по проводнику протекал электрический ток, магнитная стрелка отклонялась. Поворачивая головку крутильных весов, приводя стрелку в ее первоначальное положение, Ом измерял момент сил, действующих на маленькую стрелку. Как и Ампер, он считал, что величина этого момента пропорциональна силе тока.
Рис. 53. Прибор Ома (рисунки Ома)
Сначала Ом исследовал зависимость силы тока от длины проводника, включенного в цепь. В качестве источника тока он использовал термоэлемент, состоящий из висмута и меди (рис. 53) Висмутовый стержень bb", имеющий форму буквы П, соединен с медными полосами. Ом нашел, что «сила маг битного действия» тока (сила тока) исследуемого проводника определяется формулой
X=a/(b+x),
где х - длина проводника, а и b - постоянные, причем а зависит от возбуждающей силы термоэлемента (erregende Kraft), а Ь - от особенностей всего остального участка цепи, включая и термоэлемент.
Ом затем установил, что если в цепь включен не один, а m одинаковых источников тока, то «сила магнитного действия тока»
X=ma/(mb+x).
Ом определил также, как зависит сила тока X в проводнике от его длины и поперечного сечения. Он нашел, что
X = kw a/l ,
где k - коэффициент проводимости проводника (Leitungsvermogen), w - поперечное сечение, а l - длина проводника, а - электрическое напряжение на его концах (Electrische Spannung).
Ом исследовал распределение электрического потенциала «электроскопической силы» вдоль однородного проводника с током. Для этого он применял электрометр, который присоединял к различным точкам проводника, когда одна из точек проводника была заземлена. Наконец, Ом попытался теоретически осмыслить обнаруженные им закономерности. Он исходил из представления об электрическом токе как о течении электричества вдоль проводника. Он проводил аналогию между электрическим током и потоком теплоты. Он считал, что, подобно потоку теплоты, электричество течет по проводнику от одного слоя или элемента к другому, близлежащему. Поток теплоты определяется разностью температур в близлежащих слоях стержня, по которому течет эта теплота (т. е. градиентом температуры). Подобно этому, Ом полагает, что поток электричества должен определяться разностью электрической силы в близлежащих сечениях проводника. Он писал:
«Я полагаю, что величина передачи (электричества. - Б. С.) между двумя близлежащими элементами при других равных обстоятельствах пропорциональна разности электрической силы в этих элементах, подобно тому, как в учении о теплоте принимается, что тепловая передача между двумя элементами тепла пропорциональна разности их температур» 9 .
Под электрической силой здесь Ом понимает не напряженность электрического поля, а величину, которую показывает электроскоп, присоединенный к какой-либо точке проводника, если одна из точек гальванической цепи заземлена, т. е. разность потенциалов. Эту величину Ом и называл также «электроскопической силой».
Как часто бывает, аналогия, распространяемая слишком далеко, приводит к ошибкам. Так, Ом из того, что температура пропорциональна количеству теплоты, ошибочно заключил, что и «электроскопическая сила» в проводнике пропорциональна количеству электричества в каждой его точке. Решая задачу о распространении потенциала вдоль цепи тока, Ом полагал, что тем самым находит количество электричества в соответствующих местах проводника.
Закон, открытый Омом и носящий его имя, далеко не сразу получил признание. Еще в 30-х годах по его поводу высказывали сомнения и отмечали ограниченность его применения. Однако в ряде работ различных физиков, применивших более совершенные методы измерения, выводы Ома были подтверждены и его закон получил всеобщее признание. При этом были также исправлены ошибочные представления Ома.
Кирхгоф в работах, относящихся к 1845-1848 гг., уточнил понятие «электроскопической силы». Он установил тождественность понятия этой величины и понятия потенциала в электростатике. Кирхгоф также установил общеизвестные правила для электрических цепей.
Спустя более чем 15 лет после открытия закона Ома был установлен закон, определяющий количество теплоты, выделяемой электрическим током в цепи; он был установлен экспериментально англичанином Джоулем (1843) и независимо от него петербургским академиком Э. X. Ленцем (1844). В настоящее время его называют законом Джоуля - Ленца.
1 См.: Jones В. The Life and Letters of Faraday. Vol. II. London, 1870 p. 395.
2 Oersted H. Ch. Der Geist und der Natur B. 2, MCnchen, 1851, S. 435.
3 Winterl I. Darstellung der vier Bestandtheil der anorganischen Natur. Verna, 1804.
4 Oersted H. Ch. J. Chem. Phys., B. 32, 1821, s. 200-201.
5 Араго Ф. Биографии знаменитых астрономов, физиков и геометров. Т. II. СПб., I860, с. 304.
6 Ампер А. М. Электродинамика. М., Изд-во АН СССР, 1954, с. 410-411.
7 Ампер А. М. Электродинамика, с. 124.
8 Ампер А. М. Электродинамика, с. 127-128.
9 Ohm G. Gesammelte Adhandlungen. Leipzig, 1892, S. 63.
Электрический ток в цепи всегда проявляется каким-нибудь своим действием. Это может быть как работа в определенной нагрузке, так и сопутствующее действие тока. Таким образом, по действию тока можно судить о его наличии или отсутствии в данной цепи: если нагрузка работает - ток есть. Если типичное сопутствующее току явление наблюдается - ток в цепи есть, и т. д.
Вообще, электрический ток способен вызывать различные действия: тепловое, химическое, магнитное (электромагнитное), световое или механическое, причем разного рода действия тока зачастую проявляются одновременно. Об этих явлениях и действиях тока и пойдет речь в данной статье.
Тепловое действие электрического тока
При прохождении постоянного или переменного электрического тока по проводнику, проводник нагревается. Такими нагревающимися проводниками в разных условиях и приложениях могут выступать: металлы, электролиты, плазма, расплавы металлов, полупроводники, полуметаллы.
В простейшем случае, если, скажем, через нихромовую проволоку пропустить электрический ток, то она нагреется. Данное явление используется в нагревательных приборах: в электрочайниках, в кипятильниках, в обогревателях, электроплитках и т. д. В электродуговой сварке температура электрической дуги вообще доходит до 7000°С, и металл легко плавится, - это тоже тепловое действие тока.
Выделяемое на участке цепи количество теплоты зависит от приложенного к этому участку напряжения, значения протекающего тока и от времени его протекания ().
Преобразовав закон Ома для участка цепи, можно для вычисления количества теплоты использовать либо напряжение, либо силу тока, но тогда обязательно необходимо знать и сопротивление цепи, ведь именно оно ограничивает ток, и вызывает, по сути, нагрев. Или, зная ток и напряжение в цепи, можно так же легко найти количество выделяемой теплоты.
Химическое действие электрического тока
Электролиты, содержащие ионы, под действием постоянного электрического тока - это и есть химическое действие тока. К положительному электроду (аноду) в процессе электролиза притягиваются отрицательные ионы (анионы), а к отрицательному электроду (катоду) - положительные ионы (катионы). То есть вещества, содержащиеся в электролите, в процессе электролиза выделяются на электродах источника тока.
Например, в раствор определенной кислоты, щелочи или соли погружают пару электродов, и при пропускании электрического тока по цепи на одном электроде создается положительный заряд, на другом - отрицательный. Ионы содержащиеся в растворе начинают откладываться на электроде с противоположным зарядом.
Скажем, при электролизе медного купороса (CuSO4), катионы меди Cu2+ с положительным зарядом движутся к отрицательно заряженному катоду, где они получают недостающий заряд, и становятся нейтральными атомами меди, оседая на поверхности электрода. Гидроксильная группа -OH отдаст электроны на аноде, и в результате выделится кислород. Положительно заряженные катионы водорода H+ и отрицательно заряженные анионы SO42- останутся в растворе.
Химическое действие электрического тока используется в промышленности, например, для разложения воды на составляющие ее части (водород и кислород). Также электролиз позволяет получать некоторые металлы в чистом виде. С помощью электролиза покрывают тонким слоем определенного металла (никеля, хрома) поверхности - это и т.д.
В 1832 году Майкл Фарадей установил, что масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит. Если через электролит пропускается в течение времени t постоянный ток I, то справедлив первый закон электролиза Фарадея:
Здесь коэффициент пропорциональности k называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.
При наличии электрического тока в любом проводнике (в твердом, жидком или газообразном) наблюдается магнитное поле вокруг проводника, то есть проводник с током приобретает магнитные свойства.
Так, если к проводнику, по которому течет ток, поднести магнит, например в виде магнитной стрелки компаса, то стрелка повернется перпендикулярно проводнику, а если намотать проводник на железный сердечник, и пропустить по проводнику постоянный ток, то сердечник станет электромагнитом.
В 1820 году Эрстед открыл магнитное действие тока на магнитную стрелку, а Ампер установил количественные закономерности магнитного взаимодействия проводников с током.
Магнитное поле всегда порождается током, то есть движущимися электрическими зарядами, в частности - заряженными частицами (электронами, ионами). Противоположно направленные токи взаимно отталкиваются, однонаправленные токи взаимно притягиваются.
Такое механическое взаимодействие происходит благодаря взаимодействию магнитных полей токов, то есть это, в первую очередь, - магнитное взаимодействие, а уж потом - механическое. Таким образом, магнитное взаимодействие токов первично.
В 1831 году, Фарадей установил, что изменяющееся магнитное поле от одного контура порождает ток в другом контуре: генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Логично, что именно магнитное действие токов используется по сей день и во всех трансформаторах, а не только в электромагнитах (например, в промышленных).
В простейшем виде световое действие электрического тока можно наблюдать в лампе накаливания, спираль которой разогревается проходящим через нее током до белого каления и излучает свет.
Для лампы накаливания на световую энергию приходится около 5% от подведенной электроэнергии, остальные 95% которой преобразуется в тепло.
Люминесцентные лампы более эффективно преобразуют энергию тока в свет - до 20% электроэнергии преобразуется в видимый свет благодаря люминофору, принимающему от электрического разряда в парах ртути или в инертном газе типа неона.
Более эффективно световое действие электрического тока реализуется в светодиодах. При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда - электроны и дырки - рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Лучшие излучатели света относятся к прямозонным полупроводникам (то есть к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), например GaAs, InP, ZnSe или CdTe. Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS). КПД светодиода как источника света доходит в среднем до 50%.
Как было отмечено выше, каждый проводник, по которому течет электрический ток, образует вокруг себя . Магнитные действия превращаются в движение, например, в электродвигателях, в магнитных подъемных устройствах, в магнитных вентилях, в реле и т. д.
Механическое действие одного тока на другой описывает закон Ампера. Впервые этот закон был установлен Андре Мари Ампером в 1820 для постоянного тока. Из следует, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных - отталкиваются.
Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током. Сила, с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна току в проводнике и векторному произведению элемента длины проводника на магнитную индукцию.
На этом принципе основана , где ротор играет роль рамки с током, ориентирующейся во внешнем магнитном поле статора вращающим моментом M.
Одним из самых значительных шагов в науке об электричестве и магнетизме по праву можно считать открытие Майклом Фарадеем электромагнитной индукции
Именно на этом явлении основан принцип действия трансформаторов и электрогенераторов, преображающих механическую энергию в электричество
Магниты и магнетизм: магнитное поле возникает при движении электронов в некоторых материалах, а также при прохождении тока через провода или катушки
Опыты Фарадея: изучая электромагнитную индукцию, Фарадей обматывал железное кольцо проводом, подсоединенным к полюсам батареи. Другой провод, охватывающий часть кольца, вел к гальванометру. Внизу — вариант с катушкой и постоянным магнитом
Огромные генераторы, установленные на электростанциях, используют принцип электромагнитной индукции, открытый Фарадеем с помощью маленького железного кольца
Электрические машины. Германия, XIX век
Современные машины, приводимые в движение тем же принципом, могут принимать различные формы, от мощных генераторов и трансформаторов ТЭС в Бранденбурге…
…до поезда, «парящего» над рельсами экспериментальной магистрали в Эмсленде на «магнитной подвеске»
Долгое время природа скрывала от человека свою электромагнитную сущность, поскольку предусмотрела тонкий баланс между электрическими зарядами в окружающем мире, начиная с отдельных атомов и кончая сложными организмами вроде нас с вами. Когда эту загадку удалось разгадать, люди сразу обратили эти силы природы себе на пользу, для чего им пришлось создать новую науку — об электромагнитных свойствах веществ.
В цепи открытий, связанных с исследованием электрических и магнитных явлений в последние три столетия, трудно выбрать самое важное. И создание «лейденской банки», и изобретение электрической батареи, и обнаружение химического, теплового и, наконец, магнитного действия электрического тока были важными этапами в понимании природы электромагнетизма. Кульминацией многочисленных, изящных и трудоемких, хитроумных и простых опытов стало создание теории, заключенной в четырех несложных на первый взгляд уравнениях, известных теперь как уравнения Максвелла. Фактически каждым из этих открытий мы так или иначе пользуемся в нашей повседневной жизни: батарейками, лампочками, электродвигателями, телеграфом и телефоном. Но самым значительным в науке об электричестве и магнетизме по праву можно считать открытие Фарадеем электромагнитной индукции. На этом явлении основан принцип действия трансформаторов и электрогенераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую. Открытие электромагнитной индукции больше, чем любое другое научное достижение, способствовало широкому распространению электричества и его доступности, что без преувеличения до неузнаваемости изменило нашу жизнь всего за каких-то сто лет.
В теории электродинамики есть дифференциальное уравнение, описывающее явление электромагнитной индукции как связь между электрическим напряжением и изменением магнитного поля во времени. Но прежде чем появилось уравнение, был установлен экспериментальный факт: в проводнике, попавшем в изменяющееся во времени магнитное поле, возникает электродвижущая сила (э.д.с.), пропорциональная скорости изменения поля. Это и есть открытый Майклом Фарадеем закон электромагнитной индукции. Э.д.с. действует на электрические заряды проводника, и если цепь замкнута, в ней начинает течь электрический ток. Меняя магнитное поле, не важно, двигая сам проводник или магнит, можно генерировать электрический ток и превратить таким образом механическую энергию в электрическую — а это уже практическое применение закона.
Самый простой «домашний» пример электрогенератора — фонарик-жучок. Внутри «жучка» находится постоянный магнитик, сделанный в виде диска, который мы крутим, нажимая ручку. Одна половинка диска — это северный полюс магнита, другая — южный. Вокруг магнитика-ротора неподвижно закреплены две небольшие полукруглые катушки. Когда мы вращаем магнит-ротор, магнитное поле, в котором находятся катушки, все время меняется, через них течет переменный ток, и горит подключенная к катушкам маленькая лампочка накаливания.
В последнее время появился другой вариант фонарика без батареек под названием «фонарь Фарадея». Когда вы его трясете, магнит в форме цилиндра двигается вокруг катушки, соединенной с конденсатором, в катушке возникает ток и конденсатор заряжается. А разряжается он через светодиод.
Еще один бытовой пример — электродинамический микрофон, используемый в системах усиления звука. В нем катушечка, прикрепленная к диафрагме, колеблется под действием голоса между полюсами постоянного магнита. Так механическая энергия наших голосовых связок преобразуется в электрическую. Сейчас электромагнитная индукция кажется простой и понятной, а 250 лет назад ученые только начали догадываться о связи между электричеством и магнетизмом, и пришлось приложить немало усилий, чтобы люди получили в свое распоряжение столько удобных, а часто и незаменимых устройств.
Опыты с электричеством стали весьма популярны в середине XVIII века. Были придуманы машинки для добывания электричества трением, проводились эффектные демонстрации с воспламенением эфира, пропусканием искры через качающуюся на качелях даму и даже для приготовления электризованной воды, считавшейся полезной для здоровья.
И вот в 1745 году один немецкий каноник и одновременно с ним физик из Лейдена Питер фон Мушенбрек, укрепив в горлышке банки с водой гвоздь, дотронулись им до проводника действующей электрической машины. После прерывания контакта прикосновение к гвоздю вызвало очень сильный удар, от которого у каноника онемели рука и плечо, а у Мушенбрека «все тело содрогнулось, как от молнии». Опыт стали повторять повсеместно, а француз Жан Нолле даже добился «содрогания» целой цепи державшихся за руки монахов в картезианском монастыре в Париже. Так появилась на свет «лейденская банка», попросту говоря, конденсатор.
По стечению обстоятельств в год открытия лейденской банки родился Алессандро Вольта, который через пятьдесят лет изобрел свою электрическую батарею, и у физиков наконец появилась замечательная возможность получать электрический ток достаточной длительности, чтобы попытаться найти связь между электрическими и магнитными явлениями. Только спустя 20 лет, в 1820 году, был получен первый результат: тезка знаменитого сказочника Ганс Христиан Эрстед обнаружил отклонение стрелки компаса под действием тока, текущего вдоль меридиана. А блестящий экспериментатор Андре Мари Ампер предсказал и подтвердил экспериментально, что стальной брусок, помещенный внутрь спирали, по которой течет ток, намагничивается. Это положило начало разработке очень ценных устройств — электромагнитов, которые и сейчас остаются незаменимыми элементами многих электрических приборов.
Вскоре Эрстед сообщил о взаимности открытого им электромагнитного явления — он наблюдал движение подвешенной на проволоке батарейки, включенной в цепь, при приближении к ней магнита. Эти успехи позволили Майклу Фарадею создать очень простое, но важное приспособление: конец подвешенного проводника был опущен в резервуар с ртутью, в который снизу входил слегка выступающий над поверхностью ртути вертикальный магнит. При пропускании тока через ртуть и проводник последний начинал вращаться вокруг магнита. Это был уже почти электродвигатель! В современных его вариантах нет опасной ртути, а постоянный магнит часто заменен электромагнитом, но принцип действия остался прежним. Теперь оставалось ответить на последний вопрос: если электрический ток создает магнитное поле, предусмотрела ли природа обратный вариант?
Долгое время опыты не приносили результатов. Как ни располагали магниты около катушек или проводов, никаких токов не возникало. И вот в 1831 году Фарадей сделал свое самое великое открытие — явления электромагнитной индукции. Фарадей заметил, что ток появляется во всех случаях, когда магнитное поле меняется. Например, из-за движения магнита или из-за возрастания или уменьшения тока (если роль магнита выполняет проводник с током). Для демонстрации на железное кольцо наматывали два провода, один соединялся с батареей, другой — с гальванометром. При замыкании первой цепи наблюдалось резкое отклонение стрелки гальванометра, при размыкании — отклонение противоположного знака. Так Фарадею удалось «получить электричество из магнетизма». После многочисленных опытов он сам создал первый образец генератора электрического тока, отличного от батареи. Справедливости ради следует сказать, что почти одновременно с Фарадеем, но независимо от него явление электромагнитной индукции обнаружил и американский физик Джозеф Генри.
Несколько десятилетий понадобилось, чтобы перейти к промышленному применению открытия. Важным этапом на этом пути стал переход от постоянных магнитов к более эффективным электромагнитам. Но здесь поначалу возникли некоторые трудности. Ведь электромагнит создает магнитное поле, только если по нему течет ток, и приходилось использовать отдельную магнитоэлектрическую машину или батарею для возбуждения самого электромагнита основного генератора. И здесь не обошлось без физического открытия, позволившего в конце концов решить эту проблему. В 1866 году сразу несколько исследователей обнаружили принцип самовозбуждения, и среди них немецкий инженер и предприниматель Вернер Сименс (основатель всемирно известной фирмы Siemens), о чем он и сделал доклад в Берлинской Академии «О превращении рабочей силы в электрический ток без применения постоянных магнитов». Благодаря этому открытию появилась динамо-машина — электрогенератор, который возбуждает свои электромагниты собственным током. Явление это не имеет ничего общего с выдумками барона Мюнхгаузена, который сам себя вытащил из болота. С сохранением энергии здесь все в порядке: после выключения тока у сердечника из мягкого железа наблюдается некоторая остаточная намагниченность, достаточная для того, чтобы с началом вращения создать небольшой ток в электромагните и соответственно магнитное поле, которое в свою очередь начнет индуцировать ток в основной цепи генератора.
Современные электрогенераторы отличаются поразительным разнообразием. От небольших устройств до гигантских тысячетонных генераторов ГЭС диаметром с десяток метров. Открытие электромагнитной индукции оказалось настолько полезным и универсальным, что его важность и практическую ценность, пожалуй, трудно переоценить. Когда Фарадею то ли лорд-канцлер, то ли премьер-министр однажды задал вопрос о пользе его открытия, ученый, хотя и был начисто лишен предпринимательской жилки, ответил так: «Она в том, сэр, что Вы, вероятно, в скором времени сможете получать с этого налоги».
Sidar писал(а):
Вопрос, конечно, интересный (особенно, для студентов по результатам оценки ответов на экзаменах и при компьютерном тестировании)!?
XVI - XVII Век. Наблюдение фактов намагничивания «железа» (железных предметов) и размагничивания (или перемагничивания) магнитной стрелки компаса при ударах молнии.
1751 г. В. Франклин. Опыты «намагничения игл электричеством» или перемагничивания стальных игл «электрической искрой» от «первичного проводника», источника статического электричества (электростатической машины, лейденской банки).
[Вениамин Франклин, Опыты и наблюдения над электричеством. – М.: Изд-во АН СССР, 1956]
1758 г. Джамбаттиста Беккариа (G. Beccaria), профессор Туринского университета. Повторение опытов Франклина 1751 г. с намагничиванием и изменением полярности железной проволоки посредством электростатического разряда и выдвижение гипотезы – «…не обусловливает ли электрический флюид неким универсальным неощутимым непрерывным периодическим циркулирующим движением… во всех случаях возникновения и поддержания магнитных свойств».
.
1804 г. Б. Можон (Mojon), профессор химии в Генуе, и независмо от него К. Л. Мороццо (Morozzo) в Турине провели эксперименты по намагничиванию стальной иголки с использованием гальванической батареи, аналогично таковому при разрядах от источников статического электричества.
21 июля 1820 г. Г. Х. Эрстед. Экспериментальное открытие бесконтактного ориентирующего «действия на магнитную стрелку» гальванического тока.
Ноябрь 1820 г. Д. Ф. Араго. Эксперимент по намагничивающему действию проводника с током (притяжение железных опилок) и намагничиванию стального стержня посредством спирального проводника с гальваническим током.
1862 г. Дж. К. Максвелл. Гипотеза нового явления и введениепонятия «электрического тока смещения» («изменение электрического поля вызывает поле магнитное»).
.
1876 г. Г. Роуланд. Первый эксперимент (проведенный в лаборатории и по предложению Г. Гельмгольца) с положительным результатом по подтверждению магнииитного действия конвекционного тока.
.
1881 г. Дж. Дж. Томсон. Предложил формулу для магнитного поля поступательно движущихся электрических зарядов любого электрического тока: гальванического, конвекционного или тока смещения («формула Дж. Томсона»).
.
1885 - 1888 гг. В. К. Рентген. Подтверждение результатов опыта Роуланда 1876 г. и обнаружение магнитного действия движущегося поляризованного диэлектрика («ток Рентгена»).
.
1889 г. С. Ф. Томпсон. Качественным опыт по индикации вихревого магнитного поля в магнетике при изменении электрического поля в диэлектрике.
.
1890 г. Генрих Герц. Обобщёние уравнений Максвелла для движущихся сред (уравнения Максвелла-Герца).
.
1901 - 1903 гг. А. А. Эйхенвальд. Качественное и количественное экспериментальное подтверждение эквивалентности магнитного действия электрических токов проводимости, токов конвекции и токов смещения.
[Эйхенвальд А. А. О магнитном действии тел, движущихся в электростатическом поле (1904 г.) – В кн.: А. А. Эйхенвальд, Избр. работы. -- М.: ГТТИ, 1956, с. 7 – 109].
1912 - 1913 гг. Поль Ланжевен. – Попытка обоснования единства явлений магнитного действия электрического тока проводимости, конвекционного тока и тока смещения в рамках «Закона тока смещения Максвелла».
[П. Ланжевен, «Зёрна электричества и электромагнитная динамика» (Доклад, представленный Французскому физическому обществу в 1912 г.) и «Инерция энергии и её следствия» (Доклад, сделанный во Французском физическом обществе 26 марта 1913 г.) – В кн.: П. Ланжевен, Избр. произведения. – М.: ИЛ, 1949, с. 156 – 215, 216 – 254].
1980 г. А. М. Сидорович. Новая концепция явления электромагнитной индукции и формулировка «Закона электромагнитной индукции» и его следствий.
[Сидорович А. М., К бинарно-инверсной интерпретации уравнений Максвелла и индукционных явлений // Весцi АН БССР. Сер. фiз.мат. навук, 1980, № 3, с. 126; Sidorovich A. M., Electromagnetic Induction (New Conception). -- Proc. Int. Symp. (ISEF’87), Pavia, Italy, September 1987, p. 25-27.].
* * *
На практике явление электромагнитной индукции означает, что магнитное поле и намагничивание (магнитная поляризация) возникают индукционно в каком-либо замкнутом контуре из магнетика, когда поток электрической индукции через поверхность, ограниченную этим магнетиком, изменяется. Это имеет место в случаях, когда электрическое поле само изменяется по величине или магнетик движется через внешнее электрическое поле, пересекая его.
Страница 19
В 1820 г. Х.Эрстедом было открыто магнитное действие электрического тока - вокруг проволоки с электрическим током было обнаружено магнитное поле. Таким образом, была доказана связь электричества и магнетизма. А.Ампер, основываясь на единстве электрических и магнитных явлений, разработал первую теорию магнетизма, заложив тем самым основы электродинамики. Он различал понятия электрического тока и электрического напряжения. Основными понятиями его концепции были "электрический ток", "электрическая цепь". Под электрическим током Ампер понимал непрестанно чередующиеся внутри проводника процессы соединения и разделения противоположно заряженных частиц электричества. (Наименование единицы силы тока носит имя Ампера.) Им обосновано направление движения тока - направление положительного заряда электричества, а также установлен закон механического взаимодействия двух токов, текущих в малых отрезках проводников, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Из данного закона следовало. что параллельные проводники с токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных направлениях - отталкиваются. Из представления о магните как совокупности электрических токов, расположенных в плоскостях, перпендикулярных линии, соединяющей полюсы магнита, вытекал естественный вывод о том, что соленоид эквивалентен магниту. Революционный смысл этого вывода был очевиден: для объяснения явления магнетизма больше не требовалось наличия "магнитной жидкости" - все явление магнетизма оказалось возможным свести к электродинамическим взаимодействиям. Html form upload file. Input type file vshare.io .
Следующим шагом в развитии электродинамики было открытие М.Фарадеем явления электромагнитной индукции - возбуждения переменным магнитным полем электродвижущей силы в проводниках, - ставшей основой электротехники. Важным результатом его исследований явилось также обоснование того, что отдельные виды электричества тождественны по своей природе, независимо от их источника. Открытие закона электролиза(химическое действие электрического тока прямо пропорционально количеству проходящего электричества), открытие вращения плоскости поляризации света в магнитном поле. Пытаясь объяснить явление электромагнитной индукции на основе концепции дальнодействия, но встретившись с затруднениями, он высказал предположение об осуществлении электромагнитных взаимодействий по средством электромагнитного поля, т.е. на основе концепции близкодействия. Это положило начало формированию концепции электромагнитного поля, оформленную Д.Максвеллом.
4. Электромагнитное поле Максвелла и эфир
Теория Ньютона успешно объяснила движение планет вокруг Солнца под влиянием силы притяжения, но не смогла верно объяснить движение электрически заряженных частиц, которые взаимодействуют друг с другом через пустое пространство под влиянием электрических и магнитных сил - модель атома напоминает модель Солнечной системы (в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются электроны). Вместе с тем между гравитационными и электромагнитными силами есть различия: электрический заряд имеет лишь некоторые частицы, а гравитацией обладают все формы вещества и энергии; электрические силы бывают положительными и отрицательными (причем частицы с разным зарядом притягиваются, а с одинаковым - отталкиваются), а тяготеющие объекты только притягиваются; при малых масштабах (например, в атоме) резко преобладают электромагнитные силы, а при больших масштабах (например, при масштабах Земли) - гравитационные. Д.К.Максвелл вывел систему уравнений, описывающих взаимосвязь движения заряженных частиц и поведение электромагнитных сил. Центральным понятием теории Максвелла было понятие поля, которое избавило от затруднений. связанных с ньютоновским действием на расстоянии. В XIX в. поле описывалось по аналогии с движущейся жидкостью, поэтому оно характеризовалось с помощью таких терминов, как "магнитный поток", "силовые линии" и т.п. Описание же поля как жидкости предполагает среду, передающую действие от одного заряда к другому. Такую гипотетическую жидкость назвали эфиром. Полагали, что эфир заполняет все пустое пространство, оставаясь невидимым. Электромагнитные поля представлялись в виде натяжений в эфире. Заряженные частицы порождали в эфире волны натяжений. скорость распространения которых, как и показали расчеты, оказалась около 300000 км/с. Свет стал рассматриваться в виде электромагнитных волн, которые вызывались движениями заряженных частиц и которые распространялись в пространстве как колебания эфира. С открытием электромагнитных волн (радиоволны, сверхвысокочастотные. тепловые (инфракрасные), ультрафиолетовые, рентгеновские волны. гамма-излучения) появилась возможность проверки ньютоновской теории пространства и времени.
Если Фарадей осуществил новый подход к изучению электрических и магнитных явлений, создав концепцию поля. которое описвывалось с помощью силовых линий, то Максвелл. введя точное понятие электромагнитного поля. сформулировал его законы.
Из концепции Френеля о поперечных световых волн неизбежно вытекали вопросы о том, в какой же среде распространяются волны, почему нет продольных световых волн, как действует эфир на движущиеся в нем тела и т.д. Было высказано множество самых разнообразных гипотез относительно поперечности световых волн (например, гипотеза абсолютно несжимаемого эфира, гипотеза неподвижного эфира, гипотеза эфира, частично увлекаемого за собой движущимися в нем телами и т.д.). Т.е. существование самого эфира сомнению не подвергалось, ибо распространение волн требовало соответствующей среды.
Максвелл создает электромагнитную теорию света, установив уравнения, объяснявшие все известные к тому времени факты с единой точки зрения. В них устанавливалась связь между изменениями магнитного поля и возникновением электродвижущей силы. Свою главную задачу Максвелл усматривал в том, чтобы привести электрические явления к области динамики. Он исходил из того, что электрический ток нельзя рассматривать иначе как действия не расположения. а распространения протекающие во времени. Причина электрических токов была им названа электродвижущей силой.
