Lesplan natuurkunde (graad 11) met als onderwerp: Ontdekking van elektromagnetische inductie. Over de geschiedenis van de ontdekking van het fenomeen elektromagnetische inductie

Voordat we de vraag beantwoorden wie het fenomeen elektromagnetische inductie heeft ontdekt, moeten we eerst eens kijken naar de situatie op dat moment wetenschappelijke wereld op het betreffende kennisgebied. Ontdekking in 1820 door H.K. Het magnetische veld van Oersted rond een stroomvoerende draad veroorzaakte een brede weerklank in wetenschappelijke kringen. Er zijn veel experimenten uitgevoerd op het gebied van elektriciteit. Het idee van elektromagnetische rotatie rond een stroomvoerende geleider werd voorgesteld door Wollaston. M. Faraday kwam zelf op dit idee en creëerde in 1821 het eerste model van een elektromotor. De wetenschapper zorgde voor de werking van stroom op één pool van de magneet en realiseerde met behulp van een kwikcontact de continue rotatie van de magneet rond een stroom. -dragende dirigent. Het was toen dat M. Faraday de volgende taak in zijn dagboek formuleerde: magnetisme omzetten in elektriciteit. Het duurde bijna tien jaar om dit probleem op te lossen. Pas in november 1831 begon M. Faraday systematisch de resultaten van zijn onderzoek over dit onderwerp te publiceren. De klassieke experimenten van Faraday om het fenomeen elektromagnetische inductie te detecteren waren:
Eerste ervaring:
Neem een galvanometer, die is aangesloten op een solenoïde. Een permanente magneet wordt in de solenoïde geduwd of getrokken. Terwijl de magneet beweegt, wordt de afbuiging van de galvanometernaald waargenomen, wat duidt op het verschijnen van een inductiestroom. In dit geval geldt: hoe hoger de bewegingssnelheid van de magneet ten opzichte van de spoel, hoe groter de afbuiging van de naald. Als de polen van de magneet worden gewijzigd, verandert de afbuigingsrichting van de galvanometernaald. Het moet gezegd worden dat in een variant op dit experiment de magneet bewegingloos kan worden gemaakt en de solenoïde ten opzichte van de magneet kan worden bewogen.
Tweede ervaring:
Er zijn twee spoelen. De een wordt in de ander gestoken. De uiteinden van één spoel zijn verbonden met een galvanometer. Ga door een andere spoel elektrische stroom. De naald van de galvanometer buigt af wanneer de stroom wordt ingeschakeld (uit), verandert (toename of afname) of wanneer de spoelen ten opzichte van elkaar bewegen. In dit geval is de afbuigrichting van de galvanometernaald tegengesteld bij het in- en uitschakelen van de stroom (afnemend - toenemend).
Nadat hij zijn experimenten had samengevat, concludeerde M. Faraday dat de inductiestroom verschijnt wanneer de flux van magnetische inductie die met het circuit is verbonden, verandert. Bovendien werd ontdekt dat de grootte van de inductiestroom niet afhangt van de manier waarop de magnetische flux verandert, maar wordt bepaald door de snelheid waarmee deze verandert. In zijn experimenten toonde M. Faraday aan dat de afbuigingshoek van de galvanometernaald afhangt van de bewegingssnelheid van de magneet (of de snelheid van verandering in stroomsterkte, of de bewegingssnelheid van de spoelen). En dus kunnen de resultaten van Faraday’s experimenten op dit gebied als volgt worden samengevat:
De elektromotorische inductiekracht treedt op wanneer de magnetische flux verandert (zie pagina ““ voor meer details).
Maxwell schreef het door M. Faraday tot stand gebrachte verband tussen elektriciteit en magnetisme in wiskundige vorm op. Momenteel kennen we deze vermelding als de wet van elektromagnetische inductie (de wet van Faraday) (pagina "").

De magnetische inductievector \(~\vec B\) karakteriseert het magnetische veld op elk punt in de ruimte. Laten we een andere grootheid introduceren die afhangt van de waarde van de magnetische inductievector, niet op één punt, maar op alle punten van een willekeurig gekozen oppervlak. Deze grootheid wordt de flux van de magnetische inductievector genoemd, of magnetische flux.

Laten we in een magnetisch veld zo'n klein oppervlakte-element met oppervlakte Δ selecteren S, zodat de magnetische inductie op al zijn punten als hetzelfde kan worden beschouwd. Laat \(~\vec n\) de normaal zijn van het element dat een hoek vormt α met de richting van de magnetische inductievector (Fig. 1).

De flux van de magnetische inductievector door een oppervlak met oppervlakte Δ S noem een hoeveelheid gelijk aan het product van de grootte van de magnetische inductievector \(~\vec B\) met het gebied Δ S en cosinus van de hoek α tussen vectoren \(~\vec B\) en \(~\vec n\) (normaal op het oppervlak):

\(~\Delta \Phi = B \cdot \Delta S \cdot \cos \alpha\) .

Werk B∙cos α = IN n vertegenwoordigt de projectie van de magnetische inductievector op de normaal van het element. Dat is waarom

\(~\Delta \Phi = B_n \cdot \Delta S\) .

De flux kan afhankelijk van de hoekwaarde positief of negatief zijn α .

Als het magnetische veld uniform is, dan is de flux door een vlak oppervlak S gelijk aan:

\(~\Phi = B \cdot S \cdot \cos \alpha\) .

De magnetische inductieflux kan duidelijk worden geïnterpreteerd als een waarde die evenredig is met het aantal vectorlijnen \(~\vec B\) dat een bepaald oppervlak doorboort.

Over het algemeen kan het oppervlak gesloten zijn. In dit geval is het aantal inductielijnen dat het oppervlak binnenkomt gelijk aan het aantal lijnen dat eruit komt (Fig. 2). Als het oppervlak gesloten is, wordt de positieve normaal op het oppervlak beschouwd als de buitennormaal.

De magnetische inductielijnen zijn gesloten, wat betekent dat de flux van magnetische inductie door een gesloten oppervlak nul is. (Lijnen die het oppervlak verlaten, geven een positieve flux, terwijl lijnen die er binnenkomen een negatieve flux geven.) Deze fundamentele eigenschap van een magnetisch veld is te wijten aan de afwezigheid van magnetische ladingen. Als er geen elektrische ladingen zouden zijn, zou de elektrische stroom door een gesloten oppervlak nul zijn.

Elektromagnetische inductie

Ontdekking van elektromagnetische inductie

In 1821 schreef Michael Faraday in zijn dagboek: “Zet magnetisme om in elektriciteit.” Na 10 jaar loste hij dit probleem op.

M. Faraday had vertrouwen in de uniforme aard van elektrische en magnetische verschijnselen, maar voor een lange tijd de relatie tussen deze verschijnselen kon niet worden ontdekt. Het belangrijkste was moeilijk te achterhalen: alleen een in de tijd variërend magnetisch veld kan een elektrische stroom in een stationaire spoel opwekken, of de spoel zelf moet in een magnetisch veld bewegen.

De ontdekking van elektromagnetische inductie, zoals Faraday dit fenomeen noemde, werd gedaan op 29 augustus 1831. Hier korte beschrijving eerste experiment, gegeven door Faraday zelf. "Naar de wijde houten spoel koperdraad werd 60 meter lang gewikkeld (een voet is gelijk aan 304,8 mm), en tussen de windingen werd een draad van dezelfde lengte gewikkeld, maar geïsoleerd van de eerste katoenen draad. Eén van deze spiralen was verbonden met een galvanometer en de andere met een sterke batterij bestaande uit 100 paar platen... Toen het circuit werd gesloten, werd een plotseling maar uiterst zwak effect op de galvanometer opgemerkt, en hetzelfde werd opgemerkt toen de stroom stopte. Met de voortdurende stroomdoorgang door een van de spiralen was het niet mogelijk om een effect op de galvanometer op te merken, of helemaal geen inductief effect op de andere spiraal, ondanks het feit dat de verwarming van de hele spiraal verbonden met de batterij en de helderheid van de vonk die tussen de kolen sprong, gaf iets over het batterijvermogen aan."

Dus aanvankelijk werd inductie ontdekt in geleiders die bewegingloos ten opzichte van elkaar zijn bij het sluiten en openen van een circuit. Toen Faraday duidelijk begreep dat het dichterbij of verder weg brengen van stroomvoerende geleiders tot hetzelfde resultaat zou moeten leiden als het sluiten en openen van een circuit, bewees Faraday door middel van experimenten dat stroom ontstaat wanneer de spoelen ten opzichte van elkaar bewegen (figuur 3).

Faraday was bekend met de werken van Ampere en begreep dat een magneet een verzameling kleine stroompjes is die in moleculen circuleren. Op 17 oktober werd, zoals vastgelegd in zijn laboratoriumnotitieboekje, een geïnduceerde stroom gedetecteerd in de spoel terwijl de magneet werd ingedrukt (of eruit getrokken) (Figuur 4).

Binnen een maand ontdekte Faraday experimenteel alle essentiële kenmerken van het fenomeen elektromagnetische inductie. Het enige dat overbleef was de wet een strikt kwantitatieve vorm te geven en de fysieke aard van het fenomeen volledig te onthullen. Faraday zelf begreep al het algemene ding waarop de verschijning van geïnduceerde stroom in experimenten die er qua uiterlijk anders uitzien.

In een gesloten geleidend circuit ontstaat er een stroom wanneer het aantal magnetische inductielijnen dat het door dit circuit begrensde oppervlak binnendringt, verandert. Dit fenomeen wordt elektromagnetische inductie genoemd.

En hoe sneller het aantal magnetische inductielijnen verandert, hoe groter de stroom die ontstaat. In dit geval is de reden voor de verandering in het aantal magnetische inductielijnen volkomen onverschillig. Dit kan een verandering zijn in het aantal magnetische inductielijnen die een stationaire geleider doorboren als gevolg van een verandering in de stroomsterkte in een aangrenzende spoel, of een verandering in het aantal lijnen als gevolg van de beweging van het circuit in een niet-uniforme spoel. magnetisch veld, waarvan de dichtheid van de lijnen in de ruimte varieert (Fig. 5).

De regel van Lenz

De inductiestroom die in de geleider wordt gegenereerd, begint onmiddellijk te interageren met de stroom of de magneet die deze heeft gegenereerd. Als een magneet (of een spoel met stroom) dichter bij een gesloten geleider wordt gebracht, stoot de opkomende geïnduceerde stroom met zijn magnetisch veld noodzakelijkerwijs de magneet (spoel) af. Om de magneet en de spoel dichter bij elkaar te brengen moet er gewerkt worden. Wanneer de magneet wordt verwijderd, vindt aantrekking plaats. Deze regel wordt strikt gevolgd. Stel je voor dat de zaken anders zouden zijn: je duwde de magneet naar de spoel toe, en hij zou er automatisch in snellen. In dit geval zou de wet van behoud van energie worden geschonden. De mechanische energie van de magneet zou immers toenemen en tegelijkertijd zou er een stroom ontstaan, wat op zichzelf al energie kost, aangezien de stroom ook arbeid kan verrichten. De elektrische stroom die in het generatoranker wordt geïnduceerd en in wisselwerking staat met het magnetische veld van de stator, vertraagt de rotatie van het anker. Dat is de reden waarom er werk moet worden verricht om het anker te roteren, hoe groter de stroomsterkte. Door dit werk ontstaat er een inductiestroom. Het is interessant om op te merken dat als het magnetische veld van onze planeet erg groot en zeer inhomogeen zou zijn, snelle bewegingen van geleidende lichamen op het oppervlak en in de atmosfeer onmogelijk zouden zijn vanwege de intense interactie van de stroom die in het lichaam wordt geïnduceerd hiermee. veld. De lichamen zouden bewegen alsof ze zich in een dicht, stroperig medium bevonden en erg heet worden. Noch vliegtuigen, noch raketten konden vliegen. Een persoon kan zijn armen of benen niet snel bewegen, omdat het menselijk lichaam een goede geleider is.

Als de spoel waarin de stroom wordt geïnduceerd stationair is ten opzichte van de aangrenzende spoel wisselstroom, zoals bijvoorbeeld in een transformator, wordt in dit geval de richting van de inductiestroom bepaald door de wet van behoud van energie. Deze stroom is altijd zo gericht dat het magnetische veld dat hij creëert de neiging heeft om veranderingen in de stroom in de primaire wikkeling te verminderen.

De afstoting of aantrekking van een magneet door een spoel hangt af van de richting van de geïnduceerde stroom daarin. Daarom stelt de wet van behoud van energie ons in staat een regel te formuleren die de richting van de inductiestroom bepaalt. Wat is het verschil tussen de twee experimenten: een magneet dichter bij de spoel brengen en deze verder weg bewegen? In het eerste geval neemt de magnetische flux (of het aantal magnetische inductielijnen die de windingen van de spoel doorboren) toe (figuur 6, a), en in het tweede geval neemt deze af (figuur 6, b). Bovendien, in het eerste geval, de inductielijnen IN' van het magnetische veld dat wordt gecreëerd door de inductiestroom die in de spoel wordt gegenereerd, komt uit het bovenste uiteinde van de spoel, omdat de spoel de magneet afstoot, en in het tweede geval komen ze juist dit uiteinde binnen. Deze lijnen van magnetische inductie in figuur 6 worden met een streepje weergegeven.

Rijst. 6

Nu komen we bij het belangrijkste: bij een toename van de magnetische flux door de windingen van de spoel heeft de geïnduceerde stroom een zodanige richting dat het magnetische veld dat hierdoor ontstaat de toename van de magnetische flux door de windingen van de spoel verhindert. De inductievector \(~\vec B"\) van dit veld is immers gericht tegen de inductievector \(~\vec B\) van het veld, waarvan de verandering een elektrische stroom genereert. de spoel verzwakt, waarna de geïnduceerde stroom een magnetisch veld creëert met inductie \(~\vec B"\), waardoor de magnetische flux door de windingen van de spoel toeneemt.

Dit is de essentie algemene regel het bepalen van de richting van de inductiestroom, wat in alle gevallen van toepassing is. Deze regel werd opgesteld door de Russische natuurkundige E.H. Lenz (1804-1865).

Volgens De regel van Lenz

de geïnduceerde stroom die ontstaat in een gesloten circuit heeft een zodanige richting dat de magnetische flux die daardoor wordt gecreëerd door het oppervlak dat wordt begrensd door het circuit de neiging heeft de verandering in flux die deze stroom genereert te voorkomen.

de geïnduceerde stroom heeft een zodanige richting dat deze interfereert met de oorzaak die deze veroorzaakt.

In het geval van supergeleiders zal de compensatie voor veranderingen in de externe magnetische flux volledig zijn. De flux van magnetische inductie door een oppervlak dat wordt begrensd door een supergeleidend circuit verandert onder geen enkele omstandigheid in de loop van de tijd.

Wet van elektromagnetische inductie

De experimenten van Faraday toonden aan dat de sterkte van de inductiestroom I i in een geleidend circuit is evenredig met de mate van verandering in het aantal magnetische inductielijnen \(~\vec B\) die het oppervlak doorboren dat door dit circuit wordt begrensd. Deze verklaring kan nauwkeuriger worden geformuleerd met behulp van het concept van magnetische flux.

Magnetische flux wordt duidelijk geïnterpreteerd als het aantal magnetische inductielijnen dat een oppervlak met een oppervlakte van penetreert S. Daarom is de veranderingssnelheid van dit getal niets anders dan de veranderingssnelheid van de magnetische flux. Als in korte tijd Δ T magnetische flux verandert met Δ F, dan is de snelheid waarmee de magnetische flux verandert gelijk aan \(~\frac(\Delta \Phi)(\Delta t)\) .

Daarom kan de verklaring, die rechtstreeks uit de ervaring voortvloeit, als volgt worden geformuleerd:

de sterkte van de inductiestroom is evenredig met de snelheid waarmee de magnetische flux verandert door het oppervlak dat wordt begrensd door de contour:

\(~I_i \sim \frac(\Delta \Phi)(\Delta t)\) .

Het is bekend dat er in een circuit een elektrische stroom ontstaat wanneer externe krachten op vrije ladingen inwerken. Het werk dat door deze krachten wordt verricht bij het verplaatsen van een enkele positieve lading langs een gesloten lus, wordt elektromotorische kracht genoemd. Wanneer de magnetische flux dus verandert door een oppervlak dat wordt begrensd door een contour, verschijnen er krachten van buitenaf, waarvan de werking wordt gekenmerkt door een emf, genaamd geïnduceerde emf. Laten we het met de letter aanduiden E i.

De wet van elektromagnetische inductie is specifiek geformuleerd voor EMF, en niet voor stroom. Met deze formulering drukt de wet de essentie van het fenomeen uit, onafhankelijk van de eigenschappen van de geleiders waarin de inductiestroom optreedt.

Volgens wet van elektromagnetische inductie (EMI)

De geïnduceerde emf in een gesloten lus is in grootte gelijk aan de veranderingssnelheid van de magnetische flux door het oppervlak dat wordt begrensd door de lus:

\(~|E_i| = |\frac(\Delta \Phi)(\Delta t)|\) .

Hoe kan rekening worden gehouden met de richting van de geïnduceerde stroom (of het teken van de geïnduceerde emf) in de wet van elektromagnetische inductie in overeenstemming met de regel van Lenz?

Figuur 7 toont een gesloten lus. We beschouwen de richting waarin het circuit tegen de klok in wordt doorlopen als positief. De normaal op de contour \(~\vec n\) vormt een rechtse schroef met de richting van de bypass. Het teken van de EMF, dat wil zeggen specifiek werk, hangt af van de richting van externe krachten ten opzichte van de richting van de circuitbypass. Als deze richtingen samenvallen, dan E i > 0 en dienovereenkomstig I i > 0. Anders zijn de emf en de stroom negatief.

Laat de magnetische inductie \(~\vec B\) van het externe magnetische veld langs de normaal op de contour gericht zijn en met de tijd toenemen. Dan F> 0 en \(~\frac(\Delta \Phi)(\Delta t)\) > 0. Volgens de regel van Lenz creëert de geïnduceerde stroom een magnetische flux F’ < 0. Линии индукции B' magnetische veld van de geïnduceerde stroom worden in figuur 7 met een streepje weergegeven. Daarom de geïnduceerde stroom I i is met de klok mee gericht (tegen de positieve richting van de bypass in) en de geïnduceerde emf is negatief. Daarom moet de wet van elektromagnetische inductie een minteken hebben:

\(~E_i = - \frac(\Delta \Phi)(\Delta t)\) .

In het Internationale Systeem van Eenheden wordt de wet van elektromagnetische inductie gebruikt om de eenheid van magnetische flux vast te stellen. Deze eenheid heet Weber (Wb).

Sinds de geïnduceerde emf E i wordt uitgedrukt in volt en de tijd in seconden, en kan op basis van de EMR-wet van Weber als volgt worden bepaald:

de magnetische flux door een oppervlak dat wordt begrensd door een gesloten lus is gelijk aan 1 Wb als, met een uniforme afname van deze flux tot nul in 1 s, een geïnduceerde emf gelijk aan 1 V ontstaat in de lus:

1 Wb = 1 V ∙ 1 s.

Vortex-veld

Het magnetische veld verandert in de loop van de tijd elektrisch veld . Deze conclusie werd voor het eerst bereikt door J. Maxwell.

Nu verschijnt het fenomeen van elektromagnetische inductie in een nieuw licht voor ons. Het belangrijkste daarin is het proces van het genereren van een elektrisch veld door een magnetisch veld. In dit geval verandert de aanwezigheid van een geleidend circuit, bijvoorbeeld een spoel, de essentie van de zaak niet. Een geleider met een voorraad vrije elektronen (of andere deeltjes) helpt alleen maar om het resulterende elektrische veld te detecteren. Het veld verplaatst de elektronen in de geleider en openbaart zich daardoor. De essentie van het fenomeen elektromagnetische inductie in een stationaire geleider bestaat niet zozeer uit het optreden van een inductiestroom, maar uit het optreden elektrisch veld, die elektrische ladingen in beweging zet.

Het elektrische veld dat ontstaat wanneer het magnetische veld verandert, heeft een geheel andere structuur dan het elektrostatische veld. Het heeft er niet direct mee te maken elektrische ladingen, en de spanningslijnen kunnen daar niet beginnen en eindigen. Ze beginnen of eindigen nergens, maar zijn gesloten lijnen, vergelijkbaar met inductielijnen van magnetische velden. Dit is de zogenaamde elektrisch wervelveld. De vraag kan rijzen: waarom wordt dit veld eigenlijk elektrisch genoemd? Het heeft immers een andere oorsprong en een andere configuratie dan een statisch elektrisch veld. Het antwoord is simpel: het vortexveld werkt op de lading Q net als de elektrostatische, en dit is wat wij beschouwden en nog steeds beschouwen als de belangrijkste eigenschap van het veld. De kracht die op de lading inwerkt, is nog steeds gelijk aan \(~\vec F = q \vec E\), waarbij \(~\vec E\) de sterkte van het wervelveld is. Als de magnetische flux wordt gecreëerd door een uniform magnetisch veld geconcentreerd in een lange, smalle cilindrische buis met een straal R 0 (Fig. 8), dan is het vanuit symmetrieoverwegingen duidelijk dat de lijnen van elektrische veldsterkte in vlakken loodrecht op de lijnen \(~\vec B\) liggen en cirkels zijn. In overeenstemming met de regel van Lenz vormen de intensiteitslijnen \(~\vec E\) bij toenemende magnetische inductie \(~\left (\frac(\Delta B)(\Delta t) > 0 \right)\) een linker schroef met de richting van de magnetische inductie \(~\vec B\) .

In tegenstelling tot een statisch of stationair elektrisch veld is de arbeid van een wervelveld op een gesloten pad niet nul. Wanneer een lading langs een gesloten lijn van elektrische veldsterkte beweegt, heeft het werk op alle delen van het pad hetzelfde teken, aangezien de kracht en de beweging in richting samenvallen. Een elektrisch wervelveld is, net als een magnetisch veld, niet potentieel.

De arbeid van een elektrisch wervelveld om een enkele positieve lading langs een gesloten stationaire geleider te verplaatsen is numeriek gelijk aan de geïnduceerde emf in deze geleider.

Een wisselend magnetisch veld genereert dus een elektrisch wervelveld. Maar denk je niet dat één verklaring hier niet genoeg is? Ik zou graag willen weten wat het mechanisme is dit proces. Is het mogelijk uit te leggen hoe deze verbinding van velden in de natuur wordt gerealiseerd? Dit is waar je natuurlijke nieuwsgierigheid niet kan worden bevredigd. Er is hier eenvoudigweg geen mechanisme. De wet van elektromagnetische inductie is een fundamentele natuurwet, wat betekent dat hij fundamenteel en primair is. De werking ervan kan vele verschijnselen verklaren, maar zij zelf blijft onverklaarbaar, eenvoudigweg omdat er geen diepere wetten zijn waaruit zij als gevolg daarvan zou voortvloeien. In ieder geval zijn dergelijke wetten momenteel onbekend. Dit zijn alle basiswetten: de wet van de zwaartekracht, de wet van Coulomb, enz.

Het staat ons natuurlijk vrij om vragen aan de natuur te stellen, maar ze zijn niet allemaal logisch. Het is bijvoorbeeld mogelijk en noodzakelijk om de oorzaken van verschillende verschijnselen te onderzoeken, maar proberen te achterhalen waarom causaliteit überhaupt bestaat, is nutteloos. Dit is de aard van de dingen, dit is de wereld waarin we leven.

Literatuur

Zhilko V.V. Natuurkunde: leerboek. vergoeding voor het 10e leerjaar. algemeen onderwijs school uit het Russisch taal opleiding / V.V. Zhilko, AV Lavrinenko, L.G. Markovitsj. – Mn.: Nar. Asveta, 2001. – 319 p.
Myakishev, G.Ya. Natuurkunde: Elektrodynamica. 10-11 graden : leerboek Voor diepgaande studie natuurkunde / G.Ya. Mjakisjev, A.3. Sinyakov, V.A. Slobodskov. – M.: Trap, 2005. – 476 p.

FARADAY. ONTDEKKING VAN ELEKTROMAGNETISCHE INDUCTIE

Geobsedeerd door ideeën over de onlosmakelijke verbinding en interactie van de krachten van de natuur, probeerde Faraday te bewijzen dat net zoals Ampere magneten kon creëren met behulp van elektriciteit, het ook mogelijk was om elektriciteit te creëren met behulp van magneten.

Zijn logica was simpel: mechanisch werk verandert gemakkelijk in hitte; integendeel, warmte kan worden omgezet in mechanisch werk(laten we zeggen binnen stoommachine). Over het algemeen komt onder de natuurkrachten de volgende relatie het vaakst voor: als A het leven schenkt aan B, dan brengt B het leven aan A.

Als Ampere magneten heeft verkregen met behulp van elektriciteit, dan is het blijkbaar mogelijk om ‘elektriciteit te verkrijgen uit gewoon magnetisme’. Arago en Ampère stelden zichzelf dezelfde taak in Parijs, en Colladon in Genève.

Faraday voerde veel experimenten uit en hield pedante aantekeningen bij. Aan elke kleine studie wijdt hij een paragraaf in zijn laboratoriumaantekeningen (volledig gepubliceerd in Londen in 1931 onder de titel “Faraday’s Diary”). Faraday's vermogen om te werken blijkt uit het feit dat de laatste paragraaf van het 'Dagboek' is gemarkeerd met het nummer 16041. Faraday's briljante vaardigheid als experimentator, obsessie en duidelijke filosofische positie konden niet anders dan worden beloond, maar het duurde elf lange jaren wachten op het resultaat.

Afgezien van zijn intuïtieve overtuiging in het universele verband tussen verschijnselen, ondersteunde niets hem feitelijk in zijn zoektocht naar ‘elektriciteit uit magnetisme’. Bovendien vertrouwde hij, net als zijn leraar Davy, meer op zijn ervaringen dan op mentale constructies. Davy leerde hem:

Een goed experiment is van meer waarde dan de diepgang van een genie als Newton.

En toch was het Faraday die voorbestemd was voor grote ontdekkingen. Als groot realist verbrak hij spontaan de empiristische ketenen die Davy hem ooit had opgelegd, en op die momenten drong een groot inzicht tot hem door: hij verwierf het vermogen om de diepste generalisaties te maken.

Het eerste sprankje geluk verscheen pas op 29 augustus 1831. Op deze dag testte Faraday een eenvoudig apparaatje in het laboratorium: een ijzeren ring met een diameter van ongeveer vijftien centimeter, gewikkeld in twee stukken geïsoleerd draad. Toen Faraday een batterij op de aansluitingen van de ene wikkeling aansloot, zag zijn assistent, artillerie-sergeant Andersen, dat de naald van de galvanometer verbonden was met de andere wikkeling.

Hoewel, zenuwachtig en gekalmeerd DC bleef door de eerste wikkeling stromen. Faraday onderzocht zorgvuldig alle details van deze eenvoudige installatie - alles was in orde.

Maar de naald van de galvanometer bleef koppig op nul staan. Uit frustratie besloot Faraday de stroom uit te schakelen, en toen gebeurde er een wonder: tijdens het openen van het circuit zwaaide de naald van de galvanometer opnieuw en bevroor weer op nul!

Faraday was perplex: ten eerste: waarom gedraagt de pijl zich zo vreemd? Ten tweede: hebben de uitbarstingen die hij opmerkte betrekking op het fenomeen waarnaar hij op zoek was?

Het was hier dat de grote ideeën van Ampere – het verband tussen elektrische stroom en magnetisme – in al hun helderheid aan Faraday werden onthuld. De eerste wikkeling waarin hij stroom leverde, werd immers onmiddellijk een magneet. Als we het als een magneet beschouwen, toonde het experiment van 29 augustus aan dat magnetisme elektriciteit lijkt voort te brengen. Slechts twee dingen bleven in dit geval vreemd: waarom verdween de stroomstoot bij het inschakelen van de elektromagneet snel? En bovendien: waarom verschijnt de plons als de magneet is uitgeschakeld?

De volgende dag, 30 augustus, een nieuwe reeks experimenten. Het effect is duidelijk uitgedrukt, maar toch volkomen onbegrijpelijk.

Faraday voelt dat er ergens dichtbij een ontdekking is.

“Nu bestudeer ik opnieuw elektromagnetisme en ik denk dat ik heb aangevallen gelukkig ding, maar ik kan dit nog niet bevestigen. Het kan heel goed zijn dat ik na al mijn inspanningen zeewier in plaats van vis krijg.”

De volgende ochtend, 24 september, had Faraday veel voorbereid verschillende apparaten, waarbij de belangrijkste elementen niet langer wikkelingen met elektrische stroom waren, maar permanente magneten. En het effect was er ook! De pijl week af en snelde onmiddellijk naar de plek. Deze lichte beweging vond plaats tijdens de meest onverwachte manipulaties met de magneet, soms schijnbaar per ongeluk.

Het volgende experiment is op 1 oktober. Faraday besluit terug te keren naar het allereerste begin - naar twee wikkelingen: de ene met stroom, de andere verbonden met de galvanometer. Het verschil met het eerste experiment is de afwezigheid van een stalen ringkern. De plons is bijna onmerkbaar. Het resultaat is triviaal. Het is duidelijk dat een magneet zonder kern veel zwakker is dan een magneet met kern. Het effect is dus minder uitgesproken.

Faraday is teleurgesteld. Twee weken lang komt hij niet in de buurt van de apparaten, nadenkend over de redenen voor de storing.

Faraday weet van tevoren hoe dit zal gebeuren. Het experiment slaagt briljant.

“Ik nam een cilindrische magnetische staaf (3/4 inch in diameter en 8 1/4 inch lang) en stak het ene uiteinde in een spoel van koperdraad (60 meter lang) verbonden met een galvanometer. Toen duwde ik de magneet snel over de hele lengte in de spiraal, en de naald van de galvanometer kreeg een duw. Toen trok ik net zo snel de magneet uit de spiraal en de pijl zwaaide weer, maar dan naar binnen de andere kant. Deze schommelingen van de naald werden herhaald elke keer dat de magneet werd geduwd of naar buiten geduwd.”

Het geheim zit in de beweging van de magneet! De impuls van elektriciteit wordt niet bepaald door de positie van de magneet, maar door de beweging!

Dit betekent dat “een elektrische golf alleen ontstaat wanneer een magneet beweegt, en niet vanwege de eigenschappen die eraan inherent zijn in rust.”

Dit idee is ongelooflijk vruchtbaar. Als de beweging van een magneet ten opzichte van een geleider elektriciteit veroorzaakt, dan zou de beweging van een geleider ten opzichte van een magneet blijkbaar elektriciteit moeten opwekken! Bovendien zal deze ‘elektrische golf’ niet verdwijnen zolang de onderlinge beweging van geleider en magneet voortduurt. Dit betekent dat het mogelijk is om een elektrische stroomgenerator te maken die zo lang kan werken als gewenst, zolang de onderlinge beweging van draad en magneet maar doorgaat!

Op 28 oktober installeerde Faraday een roterende koperen schijf tussen de polen van een hoefijzermagneet, waaruit deze kon worden verwijderd met behulp van schuifcontacten (de ene op de as, de andere aan de rand van de schijf). elektrische spanning. Dit was de eerste elektrische generator, gemaakt door mensenhanden.

Na het ‘elektromagnetische epos’ werd Faraday gedwongen de zijne te stoppen wetenschappelijk werk- zijn zenuwstelsel was zo uitgeput...

Experimenten vergelijkbaar met die van Faraday werden, zoals reeds vermeld, uitgevoerd in Frankrijk en Zwitserland. Professor Colladon van de Academie van Genève was een verfijnd experimentator (hij deed bijvoorbeeld nauwkeurige metingen van de geluidssnelheid in het water van het Meer van Genève). Misschien heeft hij, uit angst voor het trillen van de instrumenten,, net als Faraday, indien mogelijk de galvanometer uit de rest van de installatie verwijderd. Velen voerden aan dat Colladon dezelfde vluchtige bewegingen van de naald observeerde als Faraday, maar, in de verwachting van een stabieler, langduriger effect, geen voldoende belang hechtte aan deze “willekeurige” uitbarstingen...

De mening van de meeste wetenschappers uit die tijd was inderdaad dat het omgekeerde effect van ‘het creëren van elektriciteit uit magnetisme’ blijkbaar hetzelfde stationaire karakter zou moeten hebben als het ‘directe’ effect: ‘vorming van magnetisme’ als gevolg van elektrische stroom. De onverwachte ‘vluchtigheid’ van dit effect bracht velen in verwarring, waaronder Colladon, en velen moesten boeten voor hun vooroordelen.

Faraday was aanvankelijk ook in de war door de vluchtige aard van het effect, maar hij vertrouwde meer op feiten dan op theorieën, en kwam uiteindelijk tot de wet van elektromagnetische inductie. Deze wet leek destijds gebrekkig, lelijk, vreemd en verstoken van interne logica voor natuurkundigen.

Waarom wordt er alleen stroom opgewekt als de magneet beweegt of als de stroom in de wikkeling verandert?

Niemand begreep dit. Zelfs Faraday zelf. Zeventien jaar later besefte een zesentwintigjarige legerchirurg in een provinciaal garnizoen in Potsdam, Hermann Helmholtz, dit. In het klassieke artikel ‘Over het behoud van kracht’ bewees hij, terwijl hij zijn wet van behoud van energie formuleerde, voor het eerst dat elektromagnetische inductie juist in deze ‘lelijke’ vorm zou moeten bestaan.

Maxwells oudere vriend, William Thomson, kwam ook zelfstandig tot deze conclusie. Hij verkreeg ook de elektromagnetische inductie van Faraday uit de wet van Ampere, rekening houdend met de wet van behoud van energie.

Zo verwierf ‘vluchtige’ elektromagnetische inductie burgerrechten en werd erkend door natuurkundigen.

Maar het paste niet in de concepten en analogieën van Maxwells artikel ‘On Faraday elektriciteitsleidingen" En dit was een ernstige fout in het artikel. In de praktijk werd de betekenis ervan beperkt tot het illustreren van het feit dat de theorieën over actie op korte en lange afstand verschillend zijn wiskundige beschrijving dezelfde experimentele gegevens dat de veldlijnen van Faraday het gezond verstand niet tegenspreken. En dat is alles. Alles, ook al was het al veel.

Uit het boek van Maxwell auteur Kartsev Vladimir Petrovich

NAAR DE ELEKTROMAGNETISCHE THEORIE VAN HET LICHT Het artikel “Over fysieke krachtlijnen” werd in delen gepubliceerd. En het derde deel ervan bevatte, net als de beide voorgaande, nieuwe ideeën van extreme waarde. Maxwell schreef: ‘Er moet worden aangenomen dat de substantie van de cellen vormelasticiteit heeft.

Uit het boek Werner von Siemens - biografie auteur Weiher Siegfried von

Transatlantische kabel. Kabelschip "Faraday" Het duidelijke succes van de Indo-Europese lijn, zowel technisch als financieel had de makers ervan tot verdere inspanningen moeten inspireren. De kans om een nieuw bedrijf te starten deed zich voor, en de inspiratie bleek dat ook te zijn

Uit het boek De laatste stelling van Fermat door Singh Simon

Bijlage 10. Voorbeeld van een bewijs door inductie In de wiskunde is het belangrijk om nauwkeurige formules te hebben waarmee je de som van verschillende reeksen getallen kunt berekenen. In dit geval willen we een formule afleiden die de som van de eerste n natuurlijke getallen geeft. 'Som' is bijvoorbeeld rechtvaardig

Uit het boek Faraday auteur Radovski Moisey Izrailevich

Uit het boek van Robert Williams Wood. Moderne tovenaar van het natuurkundig laboratorium van Seabrook William

Uit het boek Het geritsel van een granaat auteur Prisjtsjenko Alexander Borisovitsj

HOOFDSTUK ELF Wood strekt zijn vakantiejaar uit tot drie, staat waar Faraday ooit stond en doorkruist de hele planeet. Een gewone universiteitsprofessor is blij als hij eens in de zeven jaar een vrij jaar kan krijgen. Maar Hout niet

Uit het boek van Kurchatov auteur Astasjenkov Petr Timofejevitsj

Uit het boek Reis rond de wereld auteur Forster Georg

Hier is hij dan: een ontdekking! Een harde noot om te kraken Academicus Ioffe en zijn medewerkers zijn al lang geïnteresseerd in het ongewone gedrag van kristallen van Rochelle-zout (dubbel natriumzout van wijnsteenzuur) in een elektrisch veld. Dit zout is tot nu toe weinig onderzocht, en dat is alleen het geval

Uit het boek Dierenriem auteur Graysmid Robert

Uit het boek 50 genieën die de wereld veranderden auteur Ochkurova Oksana Yurievna

1 DAVID FARADAY EN BETTY LOU JENSEN Vrijdag 20 december 1968 David Faraday reed rustig tussen de glooiende heuvels van Vallejo en draaide niet om speciale aandacht naar de Golden Gate Bridge, naar de jachten en speedboten die flitsen in de baai van San Pablo, naar de heldere silhouetten van havenkranen en

Uit het boek Uncool Memory [collectie] auteur Drujan Boris Grigorievitsj

Michael Faraday (geb. 1791 - overleden 1867) Vooraanstaande Engelse wetenschapper, natuurkundige en scheikundige, grondlegger van de leer van het elektromagnetische veld, die elektromagnetische inductie ontdekte - een fenomeen dat de basis vormde van de elektrotechniek, evenals de wetten van elektrolyse , belde de zijne

Uit het boek van Francis Bacon auteur Subbotin Alexander Leonidovich

Opening Op een van de bewolkte herfstdagen van 1965 op de redactie fictie Lenizdat, een jonge man, verscheen met een magere map met briefpapier in zijn hand. Je had met honderd procent waarschijnlijkheid kunnen raden dat er poëzie in zat. Hij schaamde zich duidelijk en wist niet tegen wie

Uit het boek Dansen in Auschwitz van Glaser Paul

Uit het boek Great Chemists. In 2 delen. T.I. auteur Manolov Kaloyan

Ontdekking Eén van mijn collega's komt uit Oostenrijk. We zijn vrienden, en op een avond merkt hij tijdens een gesprek dat de naam Glaser in het vooroorlogse Wenen heel gebruikelijk was. Mijn vader vertelde me ooit, zo herinner ik me, dat onze verre voorouders in het Duitstalige deel woonden

Uit het boek van Nietzsche. Voor wie alles wil doen. Aforismen, metaforen, citaten auteur Sirota E.L.

MICHAEL FARADAY (1791–1867) De geur van houtlijm vulde de lucht in de boekbinderij. Gelegen tussen een stapel boeken, praatten de arbeiders vrolijk met elkaar en naaiden ze ijverig gedrukte vellen aan elkaar. Michael was een dik boekdeel van de Encyclopedia Britannica aan het lijmen. Hij droomde ervan het te lezen

Uit het boek van de auteur

Ontdekking van het Zuiden In de herfst van 1881 raakte Nietzsche in de ban van het werk van Georges Bizet - hij luisterde in Genua ongeveer twintig keer naar zijn 'Carmen'! Georges Bizet (1838-1875) - beroemde Franse romantische componist Lente 1882 - een nieuwe reis: van Genua per schip naar Messina, waarover een beetje

Het fenomeen elektromagnetische inductie werd in 1831 ontdekt door Mile Faraday. Zelfs tien jaar eerder dacht Faraday na over een manier om magnetisme in elektriciteit om te zetten. Hij geloofde dat het magnetische veld en het elektrische veld op de een of andere manier met elkaar verbonden moesten zijn.

Ontdekking van elektromagnetische inductie

Met behulp van een elektrisch veld kun je bijvoorbeeld een ijzeren voorwerp magnetiseren. Het zou waarschijnlijk mogelijk moeten zijn om met behulp van een magneet elektrische stroom op te wekken.

Ten eerste ontdekte Faraday het fenomeen van elektromagnetische inductie in geleiders die bewegingloos ten opzichte van elkaar zijn. Wanneer er in de ene spoel een stroom verscheen, werd er ook een stroom geïnduceerd in de andere spoel. Bovendien verdween het in de toekomst en verscheen het pas weer toen de stroom naar één spoel werd uitgeschakeld.

Na enige tijd bewees Faraday door middel van experimenten dat wanneer een spoel zonder stroom in een circuit ten opzichte van een ander beweegt, waarvan de uiteinden van spanning worden voorzien, er ook in de eerste spoel een elektrische stroom zal ontstaan.

Het volgende experiment was de introductie van een magneet in de spoel, en tegelijkertijd verscheen er een stroom in. Deze experimenten worden getoond in de volgende figuren.

Faraday formuleerde de belangrijkste reden voor het verschijnen van stroom in een gesloten circuit. In een gesloten geleidend circuit ontstaat stroom wanneer het aantal magnetische inductielijnen dat dit circuit binnendringt verandert.

Hoe groter deze verandering, hoe sterker de geïnduceerde stroom. Het maakt niet uit hoe we een verandering in het aantal magnetische inductielijnen bewerkstelligen. Dit kan bijvoorbeeld worden gedaan door een circuit in een niet-uniform magnetisch veld te verplaatsen, zoals gebeurde in het experiment met een magneet of het verplaatsen van een spoel. En we kunnen bijvoorbeeld de stroomsterkte in een spoel naast het circuit veranderen, en het magnetische veld dat door deze spoel wordt gecreëerd, zal veranderen.

Verklaring van de wet

Laten we het samenvatten samenvatting. Het fenomeen elektromagnetische inductie is het fenomeen van het optreden van stroom in een gesloten circuit, wanneer het magnetische veld waarin dit circuit zich bevindt verandert.

Voor een nauwkeurigere formulering van de wet van elektromagnetische inductie is het noodzakelijk een grootheid te introduceren die het magnetische veld zou karakteriseren: de flux van de magnetische inductievector.

Magnetische flux

De magnetische inductievector wordt aangegeven met de letter B. Hij karakteriseert het magnetische veld op elk punt in de ruimte. Beschouw nu een gesloten contour die een oppervlak met gebied S begrenst. Laten we dit in een uniform magnetisch veld plaatsen.

Er zal een bepaalde hoek a zijn tussen de normaalvector naar het oppervlak en de magnetische inductievector. De magnetische flux Ф door een oppervlak met gebied S wordt genoemd fysieke hoeveelheid, gelijk aan het product van de grootte van de magnetische inductievector door het oppervlak en de cosinus van de hoek tussen de magnetische inductievector en de normaal op de contour.

Ф = B*S*cos(a).

Het product B*cos(a) is de projectie van de vector B op de normaal n. Daarom kan de vorm voor magnetische flux als volgt worden herschreven:

De eenheid van magnetische flux is de weber. Aangegeven met 1 Wb. Een magnetische flux van 1 Wb wordt gecreëerd door een magnetisch veld met een inductie van 1 T door een oppervlak van 1 m^2, dat loodrecht op de magnetische inductievector staat.

In 1821 schreef Michael Faraday in zijn dagboek: “Zet magnetisme om in elektriciteit.” Na 10 jaar loste hij dit probleem op.
De ontdekking van Faraday
Het is geen toeval dat de eerste en meest belangrijke stap Door de ontdekking van nieuwe eigenschappen van elektromagnetische interacties werd Faraday de grondlegger van het concept van het elektromagnetische veld. Faraday had vertrouwen in de uniforme aard van elektrische en magnetische verschijnselen. Kort na de ontdekking van Oersted schreef hij: “... het lijkt zeer ongebruikelijk dat enerzijds elke elektrische stroom gepaard gaat met een magnetische actie van overeenkomstige intensiteit, loodrecht op de stroom gericht, en dat tegelijkertijd In goede elektriciteitsgeleiders die in de sfeer van deze actie waren geplaatst, werd helemaal geen stroom geïnduceerd, er ontstond geen tastbare actie die qua sterkte gelijkwaardig was aan een dergelijke stroom. Tien jaar lang hard werken en vertrouwen in succes leidden Faraday tot een ontdekking die vervolgens de basis vormde voor het ontwerp van generatoren voor alle energiecentrales ter wereld, die mechanische energie omzetten in elektrische energie. (Bronnen die op andere principes werken: galvanische cellen, batterijen, thermische en fotocellen - leveren een onbeduidend deel van de opgewekte elektrische energie.)
Lange tijd kon de relatie tussen elektrische en magnetische verschijnselen niet worden ontdekt. Het belangrijkste was moeilijk te achterhalen: alleen een in de tijd variërend magnetisch veld kan een elektrische stroom in een stationaire spoel opwekken, of de spoel zelf moet in een magnetisch veld bewegen.
De ontdekking van elektromagnetische inductie, zoals Faraday dit fenomeen noemde, werd gedaan op 29 augustus 1831. Het komt zelden voor dat de datum van een nieuwe opmerkelijke ontdekking zo nauwkeurig bekend is. Hier volgt een korte beschrijving van het eerste experiment dat Faraday geeft zichzelf.
“Een koperdraad van 60 meter lang werd op een brede houten spoel gewikkeld, en tussen de windingen werd een draad van dezelfde lengte gewikkeld, maar van de eerste geïsoleerd met katoenen draad. Eén van deze spiralen was verbonden met een galvanometer en de andere met een sterke batterij bestaande uit 100 paar platen... Toen het circuit werd gesloten, werd een plotseling maar uiterst zwak effect op de galvanometer opgemerkt, en hetzelfde werd opgemerkt toen de stroom stopte. Met de voortdurende stroomdoorgang door een van de spiralen was het niet mogelijk om een effect op de galvanometer waar te nemen, en ook helemaal geen inductief effect op de andere spiraal. 5.1
waarbij hij opmerkte dat de verwarming van de hele spoel die op de batterij was aangesloten, en de helderheid van de vonk die tussen de kolen sprong, de kracht van de batterij aangaf.
Dus aanvankelijk werd inductie ontdekt in geleiders die bewegingloos ten opzichte van elkaar zijn bij het sluiten en openen van een circuit. Toen Faraday duidelijk begreep dat het dichterbij of verder weg brengen van stroomvoerende geleiders tot hetzelfde resultaat zou moeten leiden als het sluiten en openen van een circuit, bewees Faraday door middel van experimenten dat stroom ontstaat wanneer de spoelen ten opzichte van elkaar bewegen (Fig. 5.1). Faraday was bekend met de werken van Ampere en begreep dat een magneet een verzameling kleine stroompjes is die in moleculen circuleren. Op 17 oktober werd, zoals vastgelegd in zijn laboratoriumnotitieboekje, een geïnduceerde stroom gedetecteerd in de spoel terwijl de magneet werd ingedrukt (of eruit getrokken) (Figuur 5.2). Binnen een maand ontdekte Faraday experimenteel alle essentiële kenmerken van het fenomeen elektromagnetische inductie. Het enige dat overbleef was de wet een strikt kwantitatieve vorm te geven en de fysieke aard van het fenomeen volledig te onthullen.
Faraday zelf heeft het algemene aspect waarvan het optreden van een inductiestroom afhangt al begrepen in experimenten die er uiterlijk anders uitzien.
In een gesloten geleidend circuit ontstaat er een stroom wanneer het aantal magnetische inductielijnen dat het door dit circuit begrensde oppervlak binnendringt, verandert. En hoe sneller het aantal magnetische inductielijnen verandert, hoe groter de stroom die ontstaat. In dit geval is de reden voor de verandering in het aantal magnetische inductielijnen volkomen onverschillig. Dit kan een verandering zijn in het aantal magnetische inductielijnen die een stationaire geleider doorboren als gevolg van een verandering in de stroomsterkte in een naburige spoel, of een verandering in het aantal lijnen als gevolg van de beweging van het circuit in een niet-uniforme spoel. magnetisch veld, waarvan de dichtheid van de lijnen in de ruimte varieert (Fig. 5.3).
Faraday ontdekte het fenomeen niet alleen, maar was ook de eerste die een nog imperfect model construeerde van een elektrische stroomgenerator die mechanische rotatie-energie omzet in stroom. Het was een enorme koperen schijf die tussen de polen draaide sterke magneet(Afb. 5.4). Door de as en rand van de schijf met de galvanometer te verbinden ontdekte Faraday een afwijking
IN
\

\
\
\
\
\
\
\L

S-pijl wijst. De stroming was echter zwak, maar het gevonden principe maakte het mogelijk om vervolgens krachtige generatoren te bouwen. Zonder hen zou elektriciteit nog steeds een luxe zijn die voor weinig mensen beschikbaar is.
In een geleidende gesloten lus ontstaat een elektrische stroom als de lus zich in een magnetisch wisselveld bevindt of in een tijdconstant veld beweegt, zodat het aantal magnetische inductielijnen dat de lus binnendringt, verandert. Dit fenomeen wordt elektromagnetische inductie genoemd.