Открытие электромагнетизма

Магнетизм — от Фалеса до Максвелла

Открытие электромагнетизма

Еще за тысячу лет до первых наблюдений электрических явлений, человечество уже начало накапливать знания о магнетизме.

И всего четыреста лет тому назад, когда становление физики как науки только началось, исследователи отделили магнитные свойства веществ от их электрических свойств, и только после этого начали изучать их самостоятельно.

Так было положено экспериментальное и теоретическое начало, ставшее к середине 19 века фундаментом единой теории электрических и магнитных явлений.

Похоже, что необычные свойства магнитного железняка были известны еще в период бронзового века в Месопотамии. А после начала развития железной металлургии люди заметили, что он притягивает изделия из железа. О причинах этого притяжения задумывался и древнегреческий философ и математик Фалес из города Милет (640−546 гг. до н. э.), он объяснял это притяжение одушевленностью минерала.

Греческие мыслители представляли, как невидимые пары окутывают магнетит и железо, как эти пары влекут вещества друг к другу.

Слово «магнит» могло произойти он названия города Магнесии-у-Сипила в Малой Азии, недалеко от которого залегал магнетит.

Одна из легенд рассказывает, что пастух Магнис как-то оказался со своими овцами рядом со скалой, которая притянула к себе железный наконечник его посоха и сапоги.

В древнекитайском трактате «Весенние и осенние записи мастера Лю» (240 г. до н. э.) упоминается свойство магнетита притягивать к себе железо. Через сто лет китайцы отметили, что магнетит не притягивает ни медь, ни керамику. В 7-8 веках они заметили, что намагниченная железная игла, будучи свободно подвешена, поворачивается по направлению к Полярной звезде.

Так ко второй половине 11 века в Китае начали изготавливать морские компасы, которые европейские мореплаватели освоили лишь через сто лет после китайцев.

Тогда китайцы уже обнаружили способность намагниченной иглы отклоняться в направлении восточнее северного, и открыли таким образом магнитное склонение, опередив в этом европейских мореплавателей, пришедших к точно такому выводу только в 15 столетии.

В Европе первым свойства природных магнитов описал философ из Франции Пьер де Марикур, который в 1269 году пребывал на службе в армии сицилийского короля Карла Анжуйского. В период осады одного из итальянских городов, он отправил другу в Пикардию документ, вошедший в историю науки под названием «Письмо о магните», где и рассказал о своих экспериментах с магнитным железняком.

Марикур отметил, что в любом куске магнетита есть две области, которые особенно сильно притягивают к себе железо. Он заметил в этом сходство с полюсами небесной сферы, поэтому позаимствовал их названия для обозначения областей максимума магнитной силы. Оттуда и пошла традиция называть полюса магнитов южным и северным магнитными полюсами.

Марикур писал, что если разбить любой кусок магнетита на две части, то в каждом осколке появятся собственные полюса.

Марикур впервые связал эффект отталкивания и притяжения магнитных полюсов с взаимодействием разноименных (южного и северного), либо одноименных полюсов.

Марикур по праву считается пионером европейской экспериментальной научной школы, его заметки о магнетизме воспроизводились в десятках списков, а с появлением книгопечатания издавались в форме брошюры.

Их цитировали многие ученые натуралисты вплоть до 17 столетия.

С трудом Марикура был хорошо знаком и английский естествоиспытатель, ученый и врач Уильям Гильберт. В 1600 году он опубликовал труд «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле».

В этом труде Гильберт привел все известные на тот момент сведения о свойствах природных магнитных материалов и намагниченного железа, а также описал свои собственные опыты с магнитным шаром, в которых воспроизвел модель земного магнетизма.

В частности он опытным путем установил, что на обоих полюсах «маленькой Земли» стрелка компаса поворачивается перпендикулярно ее поверхности, у экватора устанавливается параллельно, а на средних широтах — поворачивается в промежуточное положение. Таким образом Гильберту удалось смоделировать магнитное наклонение, о котором в Европе знали более 50 лет (в 1544 году его описал Георг Хартман, механик из Нюрнберга).

Гильберт воспроизвел также геомагнитное склонение, которое он приписал не идеально гладкой поверхности шара, а в масштабе планеты объяснил этот эффект притяжением между континентами.

Он обнаружил, как сильно разогретое железо теряет свои магнитные свойства, а при охлаждении – восстанавливает их. Наконец, Гильберт первым четко различил притяжение магнита и притяжение янтаря, натертого шерстью, которое назвал электрической силой.

Это был поистине новаторский труд, оцененный как современниками, так и потомками. Гильберт открыл, что Землю будет правильным считать «большим магнитом».

До самого начала XIX века наука о магнетизме продвинулась очень немного. В 1640 году Бенедетто Кастелли, ученик Галилея, объяснил притяжение магнетита множеством очень маленьких магнитных частиц, входящих в его состав.

В 1778 году Себальд Бругманс, уроженец Голландии, заметил, как висмут и сурьма отталкивали полюса магнитной стрелки, что стало первым примером физического феномена, который позже Фарадей назовет диамагнетизмом.

Шарль-Огюстен Кулон в 1785 году, посредством точных измерений на крутильных весах, доказал, что сила взаимодействия магнитных полюсов между собой обратно пропорциональна квадрату расстояния между полюсами — так же точно, как и сила взаимодействия электрических зарядов.

С 1813 года датский физик Эрстед усердно пытался экспериментально установить связь электричества с магнетизмом. В качестве индикаторов исследователь использовал компасы, но долго не мог достичь цели, ведь он ожидал, что магнитная сила параллельна току, и располагал электрический провод под прямым углом к стрелке компаса. Стрелка никак не реагировала на возникновение тока.

Весной 1820 года, во время одной из лекций, Эрстед натянул провод параллельно стрелке, причем не ясно, что привело его к этой идее. И вот стрелка качнулась. Эрстед почему-то прекратил эксперименты на несколько месяцев, после чего вернулся к ним и понял, что «магнитное воздействие электрического тока направлено по окружностям, охватывающим этот ток».

Вывод был парадоксальным, ведь раньше вращающиеся силы не проявляли себя ни в механике, ни где-либо еще в физике. Эрстед написал статью, где изложил свои выводы, и больше электромагнетизмом так и не занимался.

Осенью того же года француз Андре-Мари Ампер приступил к опытам. Перво-наперво повторив и подтвердив результаты и выводы Эрстеда, в начале октября он обнаружил притяжение проводников, если токи в них направлены одинаково, и отталкивание, если токи противоположны.

Ампер изучил также взаимодействие между непараллельными проводниками с током, после чего описал его формулой, названой позже законом Ампера. Ученый показал и то, что свернутые в спираль провода с током поворачиваются под действием магнитного поля, как это происходит со стрелкой компаса.

Наконец, он выдвинул гипотезу о молекулярных токах, согласно которой внутри намагниченных материалов имеют место непрерывные микроскопические параллельные друг другу круговые токи, служащие причиной магнитного действия материалов.

В то же время Био и Савар совместно вывели математическую формулу, позволяющую вычислять интенсивность магнитного поля постоянного тока.

И вот, к концу 1821 года Майкл Фарадей, уже работавший в Лондоне, изготовил устройство, в котором проводник с током вращался вокруг магнита, а другой магнит поворачивался вокруг другого проводника.

Фарадей выдвинул предположение, что и магнит, и провод окутаны концентрическими силовыми линиями, которые и обуславливают их механическое воздействие.

Со временем Фарадей уверился в физической реальности силовых магнитных линий.

К концу 1830-х ученый уже четко осознавал, что энергия как постоянных магнитов, так и проводников с током, распределена в окружающем их пространстве, которое заполнено силовыми магнитными линиями.

В августе 1831 года исследователю удалось заставить магнетизм производить генерацию электрического тока.

Устройство состояло из железного кольца с расположенными на нем двумя противоположными обмотками. Первую обмотку можно было замыкать на электрическую батарею, а вторая соединялась с проводником, помещенным над стрелкой магнитного компаса. Когда по проводу первой катушки тек постоянный ток, стрелка не меняла своего положения, но начинала качаться в моменты его выключения и включения.

Фарадей пришел к заключению, что в эти моменты в проводе второй обмотки возникали электрические импульсы, связанные с исчезновением или возникновением магнитных силовых линий. Он сделал открытие, что причиной возникающей электродвижущей силы является изменение магнитного поля.

В ноябре 1857 года Фарадей написал письмо в Шотландию профессору Максвеллу с просьбой придать математическую форму знаниям об электромагнетизме. Максвелл просьбу выполнил. Понятие электромагнитного поля нашло место в 1864 году в его мемуарах.

Максвелл ввел термин «поле» для обозначения части пространства, которая окружает и содержит тела, пребывающие в магнитном или электрическом состоянии, причем он особо подчеркнул, что само это пространство может быть и пустым и заполненным совершенно любым видом материи, а поле все равно будет иметь место.

В 1873 году Максвелл издал «Трактат об электричестве и магнетизме», где представил систему уравнений, объединяющих электромагнитные явления.

Он дал им название общих уравнений электромагнитного поля, и по сей день они зовутся уравнениями Максвелла. По теории Максвелла магнетизм – это взаимодействие особого рода между электрическими токами.

Это фундамент, на котором построены все теоретические и экспериментальные работы, относящиеся к магнетизму.

Источник: http://electrik.info/main/fakty/948-magnetizm-ot-falesa-do-maksvella.html

История развития электродинамики. Магнетизм

Открытие электромагнетизма

Два года назад для аспирантуры писал реферат по истории развития электродинамики. А тут про него вспомнил и решил сделать из него несколько записей в блоге, чего добру пропадать.

🙂 Правда, пока готовил этот пост от реферата мало что осталось в первозданном виде, но это даже хорошо.

А то тогда мне главное было его сдать, а теперь можно зарыться во всякие интересные книжки и ссылки и дополнить его интересными фактами.

Магнетизм

Когда точно были открыты постоянные магниты неизвестно, но уже в V веке н.э. магнетизм был известен. По крайней мере в это время уже знали, что подвешенные на веревке кусочки минерала магнетит, большие залежи которого были в древнем городе Магнесия, всегда ориентируются в одном и том же направлении.

Собственно, и название “магнитизм” произошло от названия города Магнесия, который располагался на притоке реки Меандра. Этот город часто называют Магнесия на Меандре, потому что был еще один город с таким названием — Магнесия у Сипила. Сейчас Магнесия на Меандре называется Манисса и находится в Турции.

В Китае первый магнитный компас стали использовать аж во II веке до н.э. для указания направлении движения по пустыням, поэтому можно сказать, что про магнетизм китайцы использовали уже тогда, хотя для Европы изобретение компаса произошло XII—XIII веках н.э. (по другим сведениям в IX веке).

Фалес Милетский

К этому времени магнитам использовались, но не особо их изучали. Кроме того тогда уже знали о том, что янтарь способен притягивать кусочки шерсти, и это тоже относили к магнитным явлениям.

К первым исследователям можно отнести, например, Фалеса Милетского (640/624 — 548/545 до н.э.). Он предположил, что у магнита есть “душа” и объявнял свойства магнита именно с помощью нее.

Собственно, на этом его достижения в магнетизме и заканчивается.

Аверроэс

Арабский мыслитель Абу ал-Валид Мухаммад ибн Ахмад ибн Рушд, известный также под именем Аверроэс (1126 — 1198 гг), сделал интересное по тому времени предположение, что магнит искажал пространство вокруг него в соответствии с формой магнита.

В 1269 году Пьер Перегрин из Марикурта опубликовал рукопись “Трактат о магнитах”, в которой описал многие свойства магнита. По сути, эта рукопись изначально была просто письмом другу.

Перегрин — это не фамилия, а прозвище, которое на современный лад можно перевести как пилигрим, паломник, странник, путешественник по святым местам. Тогда, во времена крестовых походов, такое прозвище было получить не трудно.

Тем более, что Перегрин участвовал в военных действиях, а письмо-трактат писал в военном лагере Карла Анжуйского, осаждавшего город Лючеру.

Именно Перегрин открыл (или по крайней мере описал), что существуют полюса магнита, и написал, что два магнита должны притягиваться, или, как он выразился, “совокупляться”, разноименными полюсами. Также он говорил про отталкивание магнитов, если их поднести друг к другу одноименными полюсами.

Еще он заметил, что если кусок магнитной руды разломить пополам, то каждый из обломков также имеет два полюса. Правда, слово “полюс” Перегрин не использовал, он говорил о местах магнита, где “магнитное действие”, особенно велико.

Кроме того Перегрин с помощью магнитов собирался делать вечный двигатель.

Уильям Гильберт

Но особенно много для развития магнетизма сделал Уильям Гильберт (1540 — 1603).

Причем он был доктором медицины, но заинтересовался магнитами после прочтения “Трактата о магнитах” все того же Перегрина (а еще, возможно, потому что тогда магниты использовались как слабительное 🙂 ) и позже опубликовал свою работу “О магните, магнитных телах и большом магните — Земле”, в которой точно классифицировал известные свойства магнита.

Самый известный его эксперимент был поставлен с целью объяснить магнетизм Земли. Гильберт изготовил шар из магнитной руды и исследовал, каким образом шар действует ни маленькую железную стрелку.

Он обнаружил сходство поведения этой стрелки с поведением стрелки инклинатора (компасной стрелки, вращающейся на горизонтальной оси) вблизи Земли и пришел к заключению, что Земля представляет собой гигантский магнит.

Гильберт также высказал мысль, что «магнетическое действие выливается с каждой стороны» магнитного тела (понятие, отдаленно напоминающее силовые линии, который будут открыты Фарадеем в XIX веке). Он открыл, что при нагревании магнита выше некоторой температуры его магнитные свойства исчезают; впоследствии эта температура (588°С) была названа точкой Кюри, в честь Пьера Кюри. Гильберт открыл, что, когда приближают к одному полюсу магнита кусок железа, другой полюс начинает притягивать сильнее. Эта идея была запатентована через 250 лет после смерти Гильберта. Вот и еще один камень в огород патентов, будь они неладны. 🙂 Он же открыл и намагничиваемость железа, если оно лежит вблизи магнита.

Гильберт многое сделал и открыл. Но Гильберт почти ничего не смог объяснить. Нет, объяснить он пытался, но получалось это довольно оригинально.

Вот, например, как Гильберт объясняет тот факт, что при разрезании одного длинного магнита образуется много коротких, которые имеют первоначальное направление намагничивания и стремятся сохранить прежнее положение в пространстве. Он сравнивает магнит с веткой дерева:

“Пусть AB будет покрытый листвой сучок ивы… A – верхняя часть, B – нижняя, по направлению к корню. Разделили его в C.

Я утверждаю, что конец A, снова вставленный в B с соблюдением правил прививки, прирастает к нему; точно так же, если B вставить в A, то они скрепляются друг с другом и дают ростки.

Но если D вставить в A или C в B, то они вступают между собой в борьбу и никогда не срастаются, но один конец отмирает вследствие неподходящего и несоответствующего соединения, так как растительная сила, идущая одним путем, теперь оказывается стремящейся в противоположные стороны…”

Да и вообще магнетизм он пытаелся объяснить с помощью все той же “души магнита”, про которую говорил Фалес.

И именно Гильберг первый разделил электричество от магнетизма, и именно после этого электричество и магнетизм стали изучать раздельно. Причем именно Гильберт ввел и само понятие “электричество”.

Под электричеством он стал понимать притягивание куском янтаря шерсти. До него это явление считали разновидностью магнитизма. Он пытался установить, какие вещества похожи на янтарь по своим электрическим свойствам, а какие — нет.

Вот первое в истории употребление слова «электрический»:

“Электрические тела – те, которые притягивают таким же образом, как янтарь” (Гильберт В. “О магните”, глава “Объяснение некоторых слов”).

А само латинское слово “electricus” означает “Янтарный”. Он же показал, что притягивать шерсть и другие мелкие предметы могут также алмазы, сапфиры, горный хрусталь, стекло, сера, соль и т. д.

Но про электричество (а точнее, про электростатику) будет в следующий раз.

Ссылки

Г. Линсон. Великие эксперименты в физике. 1972 г.
Магнесия на Меандре
В. Карцев. Магнит за три тысячелетия
Уильям Гильберт
Фалес Милетский
Абу ал-Валид Мухаммад ибн Ахмад ибн Рушд

Эта запись у меня в блоге PS. Спасибо за карму, перенес в «Я умный».

PPS. Кому интересно, продолжение здесь.

Источник: https://habr.com/post/55731/

10 Открытие электромагнетизма

Открытие электромагнетизма

Открытие электромагнетизма

В XVIII в. электричество и магнетизм считались хотя и похожими, но все же имеющими различную природу явлениями.

Правда, были известны некоторые факты, указывающие на существование как будто бы связи между магнетизмом и электричеством, например намагничение железных предметов в результате ударов молнии.

Больше того, Франклину удалось как будто бы намагнитить кусок железа с помощью разряда лейденской банки. Все-таки известные факты не позволяли уверенно утверждать, что между электрическими и магнитными явлениями существует связь.

Такую связь впервые обнаружил датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777 — 1851) в 1820 г. Он открыл действие электрического тока на магнитную стрелку.

Интересна история этого открытия. Идем о связи между электрическими и магнитными явлениями Эрстед высказал еще в первом десятилетии XIX в. Он полагал, что в явлениях природы, несмотря на все их многообразие, имеется единство, что все они связаны между собой. Руководствуясь этой идеей, он поставил перед собой задачу выяснить на опыте, в чем эта связь проявляется.

Эрстед открыл, что если над проводником, направленным вдоль земного меридиана, поместить магнитную стрелку, которая показывает на север, и по проводнику пропустить электрический ток, то стрелка отклоняется на некоторый угол.

После того как Эрстед опубликовал свое открытие, многие физики занялись исследованием этого нового явления. Французские ученые Био и Савар постарались установить закон действия тока на магнитную стрелку, т. е.

определить, как и от чего зависит сила, действующая на магнитную стрелку, когда она помещена около электрического тока.

Они установили, что сила, действующая на магнитный полюс (на конец длинного магнита) со стороны прямолинейного проводника с током, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию от полюса до проводника и модуль ее обратно пропорционален этому расстоянию.

Познакомившись с работой Био и Савара, Лаплас заметил, что для расчета “магнитной” силы, т. е., говоря современным языком, напряженности магнитного поля, полезно рассматривать действие очень малых отрезков проводника с током на магнитный полюс.

Из измерений Био и Савара следовало, что если ввести понятие элемента проводника Dl, то сила DF, действующая со стороны этого элемента на полюс магнита, будет пропорциональна DF ~ (Dl/r2)sina -, где Dl — элемент проводника, a — угол, образованный этим элементом и прямой, проведенной из элемента Dl в точку, в которой определяется сила, а r — кратчайшее расстояние от магнитного полюса до линии, являющейся продолжением элемента проводника.

После того как было введено понятие силы тока и напряженности магнитного поля, этот закон стали записывать так:

где DH — напряженность магнитного поля, I — сила тока, а k — коэффициент, зависящий от выбора единиц, в которых измеряются эти величины. В международной системе единиц СИ этот коэффициент равен 1/4p.

Новый важнейший шаг в исследовании электромагнетизма был сделан французским ученым Андре Мари Ампером (1775 — 1836) в 1820г.

Раздумывая над открытием Эрстеда, Ампер пришел к совершенно новым идеям. Он предположил, что магнитные явления вызываются взаимодействием электрических токов.

Каждый магнит представляет собой систему замкнутых электрических токов, плоскости которых перпендикулярны оси магнита. Взаимодействие магнитов, их притяжение и отталкивание объясняются притяжением и отталкиванием, существующими между токами.

3емной магнетизм также обусловлен электрическими токами, которые протекают в земном шаре.

Эта гипотеза требовала, конечно, опытного подтверждения. И Ампер проделал целую серию опытов для ее обоснования.

Первые опыты Ампера заключались в обнаружении сил, действующих между проводниками, по которым течет электрический ток. Опыты показали, что два прямолинейных проводника с током, расположенные параллельно друг другу, притягиваются, если токи в них имеют одинаковое направление, и отталкиваются, если направление токов противоположно.

Ампер показал также, что виток с током и спиралевидный проводник с током (соленоид) ведут себя как магниты. Два таких проводника притягиваются и отталкиваются подобно двум магнитным стрелкам.

Свои первые сообщения о результатах опытов Ампер с,делал на заседаниях Парижской академии наук осенью 1820 г. После этого он занялся разработкой теории взаимодействия проводников, по которым течет электрический ток.

Ампер решил в основу теории взаимодействия токов положить закон взаимодействия между элементами токов. Нужно отметить, что Ампер говорил уже не просто о взаимодействии элементов проводников, как Био и Савар, а о взаимодействии элементов токов, так как к тому времени уже возникло понятие силы тока. И это понятие ввел сам Ампер.

Следуя взглядам того времени о подобии элементарных сил силам тяготения, Ампер предположил, что сила взаимодействии между элементами двух токов будет зависеть от расстояния между ними и должна быть направлена по прямой, соединяющей эги два элемента.

Проведя большое число опытов по определению взаимодействия токов в проводниках различной формы и по-разному расположенных друг относительно друга, Ампер в конце концов определил искомую силу.

Подобно силе тяготения она оказалась обратно пропорциональной квадрату расстоянии между элементами электрических токов.

Но в отличие от сины тяготения ее значение зависело еще и от относительной ориентации элементов токов.

Формулу, которую получил Ампер, мы приводить не будем. Она оказалась неверной, потому что он заранее предположил, что сина взаимодействия между элементами токов должна быть направлена по прямой, соединяющей эти элементы. На самом же деле эта сила направлена под углом к этой прямой.

Однако вследствие того что Ампер проводил опыты с замкнутыми постоянными токами, он получал при расчетах по своей формуле правильные результаты. Оказывается, что для замкнутых проводников формула Ампера приводит к тем же результатам, что и исправленная впоследствии формула, выражающая силу взаимодействия между элементами токов, которая по-прежнему носит название закона Ампера.

Источник: https://studizba.com/lectures/73-fizika/1068-razvitie-optiki-elektrichestva-i-magnetizma-v-xviii-veke/19584-10-otkrytie-elektromagnetizma.html

Открытие электромагнетизма

Открытие электромагнетизма

Электрическое и магнитное поля — это разные составляющие одного физического объекта. Две компоненты электромагнитного поля взаимосвязаны между собой.

Соотношение между полями электрическим и магнитным в основном зависит от системы отсчета, в которой исследуются явления.

Надо заметить, что поле, которое не изменяется в одной системе отсчета, в общем случае является переменным в другой системе.

Допустим, некоторый заряд перемещается в инерциальной системе отсчета с постоянной скоростью $v$. В данной системе отсчета мы обнаружим и электрическое и магнитное поля, эти поля будут изменяться со временем.

Перейдем к другой инерциальной системе отсчета, которая движется вместе с нашим зарядом, в этой системе заряд будет находиться в покое. В новой системе отсчета мы сможем обнаружить только электрическое поле.

Глубокая связь между $\vec E$ и $\vec B$ полями проявляется в явлениях электромагнитной индукции.

Открытие Фарадея

В начале XIX века М. Фарадей сделал одно из самых значимых открытий электромагнетизма. Он открыл явление электромагнитной индукции.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Суть этого явления в том, что электрический ток способен возникать в замкнутом проводящем контуре, если происходит изменение потока вектора магнитной индукции, охватываемого рассматриваемым контуром. Появляющийся в этом явлении ток называют током индукции или индукционным током.

Возникновение тока индукции значит, что изменение потока вектора магнитной индукции порождает электродвижущую силу (ЭДС) индукции ($Ɛ_i$).

Важен тот факт, что ЭДС индукции не зависит от способа изменения магнитного потока ($Ф$), ее определяет только скорость изменения этого потока, то есть величина $\frac{dФ}{dt}$.

Кроме того перемена знака у скорости изменения магнитного потока ($\frac{dФ}{dt}$) ведет к изменению знака (направления) ЭДС индукции.

В своих экспериментах Фарадей выяснил, что ток индукции можно получить двумя различными способами:

  • Движением рамки (или ее частей) в магнитном поле стационарной катушки.
  • Переменным магнитным полем в неподвижной рамке. Магнитное поле можно изменять, например, движением катушки или изменением силы тока в катушке.

Во всех случаях гальванометр ($G$) на рис.1 будет показывать наличие тока индукции в рамке.

Рисунок 1. Открытие Фарадея. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Правило Ленца

Направление тока индукции, следовательно, знак ЭДС индукции определяют, применяя правило Ленца. Которое говорит о том, что ток индукции всегда имеет такое направление, чтобы противостоять причине, которая его порождает.

Замечание 1

Иначе можно сказать, что ток индукции порождает поток магнитной индукции, который пытается препятствовать изменению магнитного потока, порождающего ЭДС индукции.

Так, если рамку на рис.1 пододвинуть к катушке $L$, то магнитный поток через рамку увеличится. В рамке появится ток индукции, который направлен по часовой стрелке (если смотреть на рамку справа). Данный ток создаст магнитный поток, который «направлен» влево. Этот поток препятствует увеличению магнитного потока, порождающего ток.

Аналогичный процесс состоится, если увеличивать силу тока в рамке, и не двигать рамку при этом.

Замечание 2

Правило Ленца отображает такое явление, как электромагнитная инерция, которое заключается в стремлении системы противодействовать изменению ее состояния.

Формулировка закона электромагнитной индукции

В соответствии с законом электромагнитной индукции (у этого закона есть название: закон Фарадея), ЭДС индукции, независимо от того, какова причина изменения магнитного потока, равна:

$Ɛ_i=-\frac{dФ}{dt} (1),$

где минус в уравнении (1) связан с правилом знака. Знак потока магнитной индукции $Ф$ связывают с выбором нормали к поверхности контура, при этом знак ЭДС индукции выбирают в зависимости от положительного направления обхода контура.

Направление нормали к поверхности контура связано направлением его обхода правилом буравчика (правого винта). Это значит, что избирая направление нормали, мы определим знак потока магнитной индукции и знак $Ɛ_i$.

Если замкнутый проводящий контур имеет несколько витков, ЭДС индукции равна, сумме ЭДС в каждом витке. Допустим, что магнитный поток через каждый виток одинаковый и составляет $Ф_1$, то суммарный поток $Ф$ через поверхность, которая натянута на рассматриваемый сложный контур, представим как:

$Ф=NФ_1 (2)$,

где $N$ — число витков. В данном случае $Ф$ — полное потокосцепление.

Закон электромагнитной индукции для рассматриваемого сложного контура запишем как:

$Ɛ_{i}=-N\frac{dФ_{1}}{dt}\left( 3 \right)$.

Природа электромагнитной индукции

Рассмотрим причины возникновения ЭДС индукции.

Закон электромагнитной индукции выполняется, если:

  • магнитный поток, проходящий сквозь контур, изменяется при движении контура;
  • изменение потока магнитной индукции осуществляется за счет изменения магнитного поля;
  • или за счет первого и второго.

Рассмотрим контур с движущейся перемычкой, длина перемычки $l$. Расположим наш контур в однородном магнитном поле, нормальном плоскости контура (рис.2). Пусть перемычка движется со скоростью $\vec v$. С этой же скоростью станут перемещаться электроны в перемычке.

Рисунок 2. Природа электромагнитной индукции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

На каждый электрон в перемычке станет действовать вдоль перемычки сила Лоренца:

$\vec{F}=-q\left( \vec{v}\times \vec{B} \right)\left( 4 \right)$,

при этом электроны движутся по перемычке вниз, ток, значит, будет течь вверх. Это ток и является индукционным.

Магнитная сила выполняет роль сторонней силы. Ей будет соответствовать поле:

$\vec{E'}=\frac{\vec{F}}{q}=\vec{v}\times \vec{B}\left( 5 \right)$.

Циркуляция вектора напряженности $\vec E’$ по контуру по определению равна ЭДС индукции, у нас:

$Ɛ_i=-vBl$(6),

где минус ставится в связи с принятым правилом знаков, так как нормаль $\vec n$ к поверхности контура, у нас выбран за плоскость (рис.

2) в сторону вектора индукции поля, следовательно, в соответствии с правилом правого вина положительным направлением обхода контура – движение по часовой стрелке (рис.2).

Но стороннее поле направлено против положительного направления обхода контура, в результате мы имеем отрицательную ЭДС.

Поскольку:

$vl=\frac{dS}{dt}\left( 7 \right)$,

$\frac{dS}{dt}$– приращение площади, которую ограничивает контур в единицу времени, получаем:

$vlB=B\frac{dS}{dt}=\frac{dÔ}{dt}\left( 8 \right)$,

где $dФ$ — приращение магнитного потока через площадь контура ( у нас $dФ>0$). Сравнив формулы (6) и (8), получаем:

$Ɛ_{i}=-\frac{dФ}{dt}$

закон Фарадея для электромагнитной индукции.

Идея схемы, изображенной на рис.2, стала основой для индукционных генераторов тока.

Пусть проводящий контур покоится в переменном магнитном поле. Появление тока индукции в данном случае говорит о том, что непостоянное магнитное поле порождает сторонние силы в контуре.

В данном случае индукционные токи появляются в проводнике под действием электрического поля ($\vec E$).

Максвелл сделал предположение о том, что переменное во времени магнитное поле ведет к появлению электрического поля, которое не связано с наличием контура.

Циркуляция вектора напряженности поля по неподвижному контуру равно:

$\oint {\vec{E}d\vec{l}=-\frac{\partial Ô}{\partial t}\left( 9 \right),} $

где частная производная по времени отражает тот факт, что контур и натянутая на него поверхность неподвижны.

Поток вектора магнитной индукции равен:

$Ф=\int {\vec{B}d\vec{S}\left( 10 \right),}$

интегрирование в выражении (10) проводят по произвольной поверхности, которая натянута на рассматриваемый нами контур. Найдем ∂Ф/∂t:

$\frac{\partial Ô}{\partial t}=\frac{\partial }{\partial t}\int{\vec{B}d\vec{S}=\int \frac{\partial \vec{B}}{\partial t} } d\vec{S}\left(11 \right)$

в выражении (11) мы изменили места операций дифференцирования по времени и интегрирования по поверхности, это возможно сделать, поскольку контур и поверхность неподвижны.

Уравнение (9) принимает вид:

$\oint {\vec{E}d\vec{l}=-\int {\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}d\vec{S}}\left( 12 \right).} $

Дифференциальная форма уравнения (12) имеет вид:

$\vec{abla }\times \vec{E}=-\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}\left( 13\right)$.

Уравнение (13) отображает локальную связь между электрическим и магнитным полем.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektromagnetizm/otkrytie_elektromagnetizma/

Электромагнетизм и электромагнитная индукция: открытие явлений

Открытие электромагнетизма

Тесную связь магнетизма и электричества — точнее, способность этих сил притягивать и отталкивать — заметили еще древние.

В то же время люди обращали внимание на то, что янтарь нужно сперва потереть, прежде чем к нему начнут прилипать разные легкие предметы, зато магнетит притягивает тяжелое железо без всякого трения.

Со времен Средневековья нередко случалось, что грозовой разряд намагничивал железные кресты на церквях и вращал стрелку компаса. В XVII в. английский физик У.

Гильберт предположил, что появление молнии связано с электричеством, а еще через сто лет американский ученый-политик Бенджамин Франклин продемонстрировал, как лейденская банка — стеклянная емкость, оклеенная оловом и накапливающая заряд посредством металлического стержня, — разряжается, словно молния, намагничивая собственный стержень. Тем не менее не все ученые считали, что эти явления как-то связаны; многие утверждали: сходство магнетизма и электричества — простое совпадение.

В 1780 г. итальянский анатом Луиджи Гальвани (1737—1798), препарируя лягушку, заметил, что ее лапка дергается всякий раз, когда к животному прикасается скальпель, а электрическая машина, которую от нечего делать потирал его ассистент, искрит.

Поскольку в то время уже было известно, что морские скаты способны обездвижить рыбу ударом тока, Гальвани решил: электричество содержится в самой лягушке и передает сигналы от мозга ко всем частям тела.

(Кстати, именно это открытие вдохновило английскую писательницу Мэри Шелли сочинить историю о монстре Франкенштейне.)

Прошло несколько лет, и в один прекрасный день Гальвани заметил, что лягушки, развешенные на балконе на металлических крючках, «пускаются в пляс», стоит только крючьям коснуться железных перил.

Ученый стал экспериментировать, прикладывая то к одному, то к другому крюку медные и латунные пластинки, — и движения земноводных стали еще энергичнее.

Значит, через тела живых существ постоянно течет электрический ток, заключил Гальвани.

Впрочем, другой итальянский физик, Алессандро Вольта (1745—1827), придерживался иного мнения — что электричество находится именно в металле, а не в живом существе.

В доказательство Вольта взял «удвоитель», сконструированный английским изобретателем У.

Николсоном, и, вращая размещенные одна на другой, но изолированные пластины из латуни, получил достаточно заметное электричество. Так теория Гальвани рассыпалась в пух и прах.

Решив усовершенствовать «удвоитель», Вольта попробовал использовать пластины из разных металлов и в конце концов выбрал цинк и медь.

Диски выкладывались стопкой попарно, перемежевываясь картонками либо кожей с пропиткой из морской воды, и вся эта конструкция, получившая название вольтова столба, производила постоянный ток относительно большой силы.

Кроме того, Вольта придумал еще одно устройство для генерации энергии — «корону из чаш»: выставив в ряд чашки, ученый наполнил их соленой водой (а позже попробовал заменить воду кислотой) и соединил полосками, спаянными из двух металлов.

Весть об опытах Вольты быстро разлетелась по всей Европе, и уже в начале XIX в. сам Николсон с помощью вольтова столба смог разложить воду на кислород и водород. После этого устройство стали называть батареей — также как и лейденские банки.

С 1820 г. за влиянием тока на магнитную стрелку наблюдал датский профессор Ханс Христиан Эрстед (1777—1851).

Ученый опускал цинковую и медную пластины в раствор серной кислоты, соединял их медной проволокой — и электрическая цепь гальванической батареи замыкалась, вызывая колебания магнитной стрелки.

Только когда провод цепи располагался перпендикулярно вертикальной плоскости, проходящей через магнитную стрелку, та не двигалась. Это опровергало заблуждения по поводу равенства магнитного «заряда» и электрического.

В том же году немецкий естествоиспытатель Иоганн Швейггер (1779—1857) продемонстрировал прибор, измеряющий силу тока с помощью магнитной стрелки.

Устройство, которое сам изобретатель назвал гальванометром, представляло собой катушку из нескольких витков провода (Швейггер изолировал его сначала воском или сургучом, а позже стал использовать шелк).

Когда ток проходил через катушку, стрелка компаса отклонялась, и по степени ее отклонения можно было судить о силе тока.

Вскоре информация об открытиях Эрстеда и Швейггера дошла до французского физика Андре-Мари Ампера (1775—1836), и он во что бы то ни стало решил выяснить, как же связаны электричество и магнетизм.

Эрстед полагал, будто электричество намагничивает провод, а тот, в свою очередь, намагничивает стрелку компаса, но Ампер был категорически не согласен.

Он первым догадался, что у магнита нет никого заряда, а в намагничивании виноваты заряды электричества, которые движутся вокруг каждого атома и образуют замкнутые контуры («цепи»), превращая атомы в мини-магниты.

Дабы убедиться в своей правоте, Ампер сцепил основаниями две намагниченные иголки, поместил их возле провода с током и увидел, что магнит развернулся перпендикулярно проводу, северным полюсом влево, если стоять лицом по направлению тока.

На основании этого эксперимента ученый сформулировал закон, согласно которому два параллельных проводника с однонаправленным током притягиваются, а с разнонаправленным — отталкиваются.

Помимо того, Ампер нашел формулу, благодаря которой можно вычислить, с какой силой магнитное поле действует на проводник внутри него.

Читать:  Специальная и общая теория относительности

Опытным путем ученый доказал, что любой предмет, проводящий электричество, создает вокруг себя магнитное поле, которое окружает проводник концентрическими силовыми линиями.

Также ученый заметил, что железо после остановки тока теряет магнетизм, тогда как сталь даже в отсутствии электричества долгое время сохраняет притягивающую способность.

Исходя из этого, Ампер сконструировал соленоид — очень мощный электромагнит, представляющий собой железные прутья, обмотанные изолированной проволокой с током.

На протяжении следующих 10 лет ученые пытались усовершенствовать соленоид, вследствие чего железные прутья были изогнуты в форме подковы, провод изолирован шелковыми нитями, а сам прибор подключен к батарее.

Мощь такого соленоида позволяла поднимать грузы весом в несколько тонн! Это стало веским доказательством того, что электричество возбуждает магнитную силу, — оставалось выяснить, как магнит влияет на электричество.

Такое задание оказалось по плечу лишь английскому физику Майклу Фарадею (1791—1867).

Изыскания ученого начались с попытки ответить на вопрос: почему один наэлектризованный предмет передает заряд окружающим предметам, а провод с током не заряжает близлежащие провода? В поисках ответа Фарадей обмотал вокруг деревянного валика две изолированные проволоки и одну присоединил к батарее, состоящей из десяти гальванических элементов, а другую — к гальванометру. Затем ученый несколько раз пропустил через первый провод электричество, постепенно увеличивая силу тока, однако на второй провод это никак не подействовало.

В следующих опытах Фарадей внимательнее пронаблюдал за гальванометром и увидел, что прибор все же реагирует на ток, только длится это одно мгновение — когда цепь замыкается и размыкается. То есть именно в эти моменты во второй проволоке возникал ток.

Такие короткие токи — Фарадей назвал их индуктивными — так и остались бы любопытным, но бесполезным открытием, если бы ученый не сконструировал специальный коммутатор, открывающий и закрывающий электрическую цепь.

Благодаря этому поток электричества, текущий от батареи по первой проволоке, то прерывается, то возобновляется, беспрестанно возбуждая во втором проводе индуктивные токи и преобразуя их в постоянный. Потому данный вид электроэнергии назвали индукционной.

Не желая останавливаться на достигнутом, Фарадей выяснил, что мгновенный ток в нейтральной закрученной проволоке возбуждается даже при ее приближении к проводу с гальваническим током и отдалении от него.

В первом случае индуктивный ток течет в обратную сторону от гальванического, а во втором — в том же направлении.

В связи с этим встал вопрос: нельзя ли добиться того же эффекта, намагничивая и размагничивая железо?

Читать:  Основные законы гидростатики

Можно, ответил Фарадей, проведя еще серию опытов.

Теперь он обматывал две проволоки вокруг железного кольца, возбуждая магнитное поле опять-таки батареей; вокруг железного бруска, который намагничивался стальным магнитом; наконец, вокруг самого магнита.

Во всех случаях «включение/выключение» магнитного поля (приближение/отдаление проволоки от магнита) вызывало мгновенные токи.

Далее ученый доказал, что индуктивный ток генерируется не только тогда, когда его источник приближается или отдаляется от магнита, но и просто при переходе через силовые линии (эти линии Фарадей открыл в 1830 г., когда заметил, что железная стружка группируется вокруг магнита по полукруглым кривым).

А еще великий физик решил проблему, которая занимала чуть ли не всех ученых того времени: почему магнитная стрелка крутится следом за расположенным под ней диском из металла-немагнетика? Ответ Фарадея был таков: под воздействием магнита диск, обращаясь, генерирует индуктивные токи, а те, в свою очередь, приводят в движение стрелку.

В 1832 г., основываясь на своих наблюдениях земного магнетизма, Фарадей предложил проект телеграфа, а через три года сделал еще одно открытие: во время замыкания и размыкания гальванической цепи в проводнике обычного тока тоже возникают токи индуктивные.

Уже в 1860-е Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879) определил магнитное поле как часть пространства, где предметы пребывают в электрическом или магнитном состоянии, а также вывел целую систему уравнений, описывающих взаимосвязи между явлениями электромагнетизма, к которым относится и видимый солнечный свет. Таким образом, Максвелл окончательно связал магнетизм с электрическими токами. А в ХХ в. квантовые физики уточнили, что электромагнитная энергия выделяется порциями-квантами и магнитные свойства есть даже у мельчайших частиц.

Ха-хаЛайкВауДоволенПечальноКакаЗлюсьПодписывайтесь на наши каналы в Яндекс Дзени Телеграмм

Источник: http://mir-znaniy.com/elektromagnetizm-i-elektromagnitnaya-indukcziya-otkrytie-yavlenij/

Booksm
Добавить комментарий