О сколько нам открытий чудных Готовит просвещенья дух И опыт, сын ошибок трудных, И гений, парадоксов друг, И случай, бог изобретатель (А.С. Пушкин).
Для школьников.
В предыдущих статьях говорилось о наблюдавшихся учёными магнитных и электрических явлениях, об открытиях в области электричества и магнетизма.
Установление связи между электричеством и магнетизмом
Учёные давно чувствовали, что между электрическими и магнитными явлениями существует глубинная связь, но долго не могли её установить.
Находящиеся рядом магнит и наэлектризованное (заряженное) тело никак не влияли друг на друга.
Помог случай, произошедший в 1820 году с датским физиком Эрстедом. На лекции, при демонстрации магнетизма Земли, стрелка компаса, всегда направленная на магнитные полюса Земли, вдруг показала отклонение на некоторый угол.
Оказалось, что вблизи магнитной стрелки проходил провод, соединивший полюсы гальванического элемента, то есть в проводе существовал электрический ток.
Поменяв полюсы батареи, то есть изменив направление тока в проводе на обратное, Эрстед увидел отклонение магнитной стрелки в обратную сторону от направления магнитной оси Земли на такой же угол.
Итак, магнитная стрелка, не реагирующая на неподвижные заряды, реагировала на движущиеся заряды (электрический ток).
Далее Эрстедом были проведены опыты с магнитными стрелками и железными опилками вблизи тока. Опыты показали, что они располагались кругами около провода с током (рисунок ниже).
Так Эрстедом в 1820 году было сделано фундаментальное открытие, устанавливающее связь между электричеством (током или движущимися зарядами) и магнетизмом.
Затем было установлено, что магнетизм сопутствует току и в электролитах, и в газах, а это значит, что действие на магнитную стрелку является общим признаком электрического тока.
Число опытов, обнаруживающих взаимодействие постоянного магнита с электрическим током, быстро увеличивалось.
В одном из опытов, при пропускании электрического тока через катушку, обнаружили, что на концах катушки существуют противоположные магнитные полюсы, ничем не отличающиеся от полюсов постоянного магнита.
Следующий опыт, проведённый французским физиком Араго, открыл возможность намагничивания ферромагнетиков при помощи электрического тока.
Араго поместил стальной стержень в стеклянную трубку, обмотанную медной проволокой, и пропустил через неё ток - стержень намагнитился.
Французский физик Ампер на опытах показал, что электрический ток действует не только на магнитную стрелку, он действует и на другой провод с током. Он обнаружил механическое взаимодействие двух параллельных проводников с током и нашёл направление этих сил.
Ампер установил, если токи по параллельным проводам текут в одну сторону, то провода притягиваются друг к другу, если токи в проводах направлены в противоположные стороны, то механические силы стремятся оттолкнуть их друг от друга.
Анализируя результаты разных опытов, Ампер пришёл к выводу, что существование магнетизма неразрывно связано с током.
Исходя из этого, Ампер связал намагничивание вещества с молекулярными токами в веществе, что нашло подтверждение в современной физике, связывающей магнетизм вещества с вращением электронов в атоме.
Согласно Ампера, все магнитные явления связаны с взаимодействием токов, магнитных зарядов не существует (магнитные силовые линии всегда замкнуты).
Таким образом, с 1820 года учение о магнетизме стало составной частью учения об электричестве.
Явление электромагнитной индукции
Очень большой вклад в развитие учения об электричестве ввёл английский физик Фарадей, открывший в 1831 году явление электромагнитной индукции.
Многие учёные в то время считали, что магнетизм должен вызывать появление электрического тока в проводах, подобно тому, как электрический ток вызывает магнетизм.
Но опыты по обматыванию намагниченного стержня проволокой не давали в ней тока.
Фарадей догадался, что процесс возникновения тока в катушке (замкнутом контуре) должен быть не статическим, а динамическим процессом, то есть ток в замкнутом контуре должен появиться при изменении положения магнита или при изменении тока, создающего магнитное поле. Проведенные опыты подтвердили его догадку.
На следующем рисунке приведена схема, поясняющая опыт Фарадея.
На железное кольцо были намотаны две катушки А и В из медной проволоки. Катушка В соединена с прямой медной проволокой, расположенной близко над магнитной стрелкой.
При замыкании ключа в цепи катушки А, подсоединённой к гальваническому элементу, магнитная стрелка мгновенно выходила из своего положения и начинала качаться. но вскоре занимала первоначальное положение. Аналогичное явление наблюдалось и при размыкании ключа.
Таким образом, при намагничивании железного кольца изменяющимся током катушки А (при замыкании ключа ток в катушке А увеличивался от нуля до установившегося постоянного значения), в катушке В наводился ток.
Когда ток в катушке А достигал постоянного (установившегося) значения, тока в катушке В не возникало.
Открытое им явление, Фарадей назвал явлением электромагнитной индукции, а возникающий при этом ток - индукционным током.
(Фарадей считал, что наблюдаемое Ампером механическое взаимодействие проводников с током, являются силами, действующими со стороны единого электромагнитного поля на неподвижные и движущиеся электрические заряды, то есть Фарадей предполагал существование единого электромагнитного поля. В случае неподвижных зарядов, это поле неразрывно связано с зарядами и называется электростатическим полем, а в случае постоянного тока в проводе возникает связанное с ним постоянное магнитное поле).
Описанный выше опыт позволил Фарадею сформулировать основной закон электромагнитной индукции, который называется ещё законом Фарадея (подробно в Занятие 68):
ЭДС индукции (значит, и индукционный ток), возникающая в замкнутом контуре, равна быстроте изменения магнитного потока через площадь, ограниченную контуром:
Знак "минус" в формуле определяет направление индукционного тока в соответствие с правилом Ленца.
Таким образом, учёными было доказано, что электрический ток порождает магнетизм, а магнетизм порождает электрический ток (индукционный ток).
Чтобы в замкнутом проводящем контуре возник ток, необходимо, чтобы магнитный поток через этот контур изменялся, причём чем быстрее изменяется магнитный поток, тем больше величина индукционного тока.
Если замкнутый контур или катушка находится в постоянном магнитном поле, то возникновение в ней эдс индукции (или индукционного тока) возможно лишь тогда, когда контур при своём движении пересекает линии магнитной индукции В ( при движении же его вдоль линий В магнитный поток меняться не будет и, значит, индукционный ток не возникнет).
Примеры на применение основного закона электромагнитной индукции
Пример 1.
На рисунке показана катушка 1, подключенная к источнику постоянного тока. Внутри неё находится катушка 2, подключенная к гальванометру. В катушке 2 тока нет, так как магнитный поток через витки второй катушки не меняется.
Теперь представим, что в катушку 1 вдвигают железный сердечник. При этом гальванометр покажет присутствие тока в катушке 2. Объясняется это тем, что железный сердечник намагничивается магнитным полем катушки 1, что приводит к увеличению магнитного потока через витки катушки 2 и в ней при движении сердечника, согласно закону Фарадея, возникает индукционный ток.
Пример 2.
Рядом расположены два длинных проводника а и в. Первый соединён с источником постоянного тока через реостат, второй - с гальванометром. При изменении силы тока в проводнике а, в проводнике в возникает индукционный ток. Почему?
Потому что ток проводника а создаёт магнитное поле, силовые линии которого имеют вид колец, окружающих проводник а. Эти силовые линии пронизывают контур, состоящий из проводника в и проводов, соединяющих его с гальванометром.
При изменении тока в проводнике а изменяется магнитный поток через контур, и в контуре возникает индукционный ток.
При увеличении тока в первом проводнике, индукционный ток во втором проводнике направлен в противоположную сторону, а при уменьшении тока в первом проводнике индукционный ток имеет то же направление, что и в проводнике а. Это соответствует закону Ленца, говорящему о том, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине его вызвавшей.
Вопрос: Почему при ударе молнии вблизи места удара могут выйти из строя электроизмерительные приборы?
Ответ: Молния - это электрический ток очень большой силы, который сопровождается появлением сильного магнитного поля. Это поле может вызвать в чувствительных элементах измерительных приборов появление сильных индукционных токов, разрушающих эти элементы.
Генераторы электрического тока
Рассмотренные выше законы оказали огромное влияние на техническое развитие общества.
Основной закон электромагнитной индукции лежит в основе работы электромагнитов, генераторов, двигателей, трансформаторов и т. д.
Первый генератор электрического тока, построенный в 1832 году, был весьма несовершенен. Он изображён на рисунке ниже.
ЭДС в обмотках его катушек возбуждалась вращением подковообразного магнита. Ток, создаваемый им, не был похож на ток, даваемый гальваническим элементом (на постоянный ток). Он всё время менял своё направление и величину (мы называем его переменным или синусоидальным током). Его пытались выпрямлять.
В статье "Принцип работы генераторов переменного и постоянного тока" рассматривается получение переменного и постоянного тока в соответствующих генераторах в соответствие с основным законом электромагнитной индукции.
Полезно также посмотреть статьи "Трёхфазный переменный ток" и "Двигатели постоянного и переменного тока".
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Как развивалось учение об электричестве и какова сущность открытых учёными электрических явлений (кратко основное).
Следующая запись: Задачи на нахождение силовых характеристик магнитного поля.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .