Электромагнитная индукция

Размещено на http://www.allbest.ru/

Казанский государственный энергетический

университет

Реферат на тему:

Электромагнитная индукция

Выполнил Гатиятуллин Т.Р.

Казань 2011 г.

Электродинамическое взаимодействие

"Если какой-нибудь заряд переместился из одной точки в другую, то, очевидно, силы, действующие со стороны этого заряда на другие заряды, изменятся. При непрерывном движении заряда эти силы также должны меняться непрерывно; однако, если распространение действия заряда совершается с конечной скоростью, это изменение будет отставать от перемещения заряда, что приводит к значительным усложнениям теории действия электрических сил. Чтобы учесть специфические эффекты, возникающие при наличии движущихся зарядов, вводится дополнительная характеристика, которую мы и назвали индукцией магнитного поля. Введение этой характеристики позволяет существенно упростить всю теорию электрических явлений и не задумываться о том, что электрическое воздействие распространяется в пространстве с конечной скоростью. Так как приходится пользоваться двумя понятиями: напряженностью электрического поля и индукцией магнитного поля, - то явления, которые мы будем в дальнейшем изучать, получили общее название электромагнитные явления. Таким образом, известные еще из школьного курса магнитные силы представляют не что иное, как проявление электрических действий, вызванных движущимися зарядами. В природе не существует никаких особых магнитных зарядов, а есть только электрические заряды двух типов, условно называемые положительными и отрицательными. В заключение заметим, что в выражении для силы Лоренца не случайно стоит коэффициент с. Его значение соответствует скорости света в вакууме, а это как раз та самая максимальная скорость, с которой может распространяться электрическое поле заряда, возникшего в данной точке пространства"

Т.е. в выражении для силы Лоренца (система СГС) коэффициент с - это скорость распространения изменений (смещений) электрического поля, которые в виде токов смещения сопровождают движение зарядов. Из выражения видно, что если бы изменения поля распространялись мгновенно, то никакой силы Лоренца (релятивистского эффекта) не возникало бы.

"... возникновение магнитного поля является чисто релятивистским эффектом, следствием наличия в природе предельной скорости с, равной скорости света в вакууме. Если бы эта скорость была бесконечной (соответственно и скорость распространения взаимодействий), никакого магнетизма вообще не существовало бы"

Магнитное поле можно рассматривать как релятивистский эффект (эффект движения), связанный с запаздыванием распространения электрического смещения поля, т.е. магнитные поля представляют распространяющиеся электрические смещения поля. Согласно формуле преобразования полей

B = m0[vD],

магнитные поля - это движущиеся электрические потоки. Таким образом, магнитную энергию можно трактовать как кинетическую энергию движущихся электрических потоков

Wм = Mэv2 sin2a,

где Mэ - масса электрического потока, v - скорость движения, a - угол между направлением движения и вектором D.

"B = -[vE]/c2"

"Магнитное поле как релятивистский эффект. До сих пор мы рассматривали магнитное поле как реальность, пользуясь для его обнаружения магнитной стрелкой. В §7.1 говорилось, что движущиеся заряды взаимодействуют между собой не так, как неподвижные: сказывается запаздывание передачи воздействия одного из них на другой через посредство электрических полей. Однако подробно этот вопрос не рассматривался. Постоянные магнитные поля создаются постоянными токами. Картина получается стационарной, и, казалось бы, никакого запаздывания учитывать не надо"

"Всякое возмущение в пространстве распространяется со скоростью не выше скорости света. В частности, электрическое поле при смещении точечного заряда не просто переместится вместе с зарядом, как в случае бесконечно большой скорости распространения поля, а меняется более сложным образом. Возникают эффекты, связанные с запаздыванием появления поля на больших расстояниях от заряда, которые могут быть описаны введением индукции магнитного поля"

При движении заряда возникают эффекты, связанные с запаздыванием распространения электрического смещения поля, т.е. в пространстве возникают распространяющиеся со скоростью света смещения поля.

Сегодня уже не вызывает сомнения тот факт, что магнитных зарядов не существует, а магнитное поле возникает как чисто релятивистский эффект, но еще недостаточно рассмотрен сам механизм его возникновения. Постараюсь наглядно, насколько это, возможно, описать электродинамические процессы, протекающие при движении электрических зарядов.

Возмущения поля не распространяются мгновенно, для возникновения возмущения требуется определенное время. При движении заряда возмущение поля (электрическое смещение), возникая в том месте, куда переместился заряд, и одновременно исчезая в том месте, откуда он переместился, образует в пространстве объемные токи электрического смещения, которые имеют обратное направление. Примеры расчетов обратных токов смещения приведены в учебниках.

"Пример. Точечный заряд q движется равномерно и прямолинейно с нерелятивистской скоростью v. Найти вектор плотности тока смещения в точке P, находящейся на расстоянии r от заряда на прямой, перпендикулярной его траектории и проходящей через заряд. Решение.

jсм = -qv/4pr3."

Например, за пределами радиуса r от движущегося точечного заряда течет обратный ток смещения:

Iсм = -qv/2r.

Т.е., если заряд в 1 Кл движется со скоростью 2 м/с, то за пределами радиуса в 1 м течет обратный ток смещения силой в 1 А, плотность же обратного тока смещения на расстоянии 1 м равна 0.16 А/м 2. Знак минус в формуле означает, что ток смещения течет в обратном направлении. Впереди же и позади движущегося заряда текут прямые токи смещения, их плотность:

jсм = qv/2pr3.

Полный ток равен сумме тока проводимости и тока смещения. При этом ток смещения возникает независимо от того, движется ли заряд самостоятельно или, например, по проводнику, где ток смещения распространяется в пространстве за пределами проводника и, если рядом находится другой проводник, то в нем обратный ток смещения будет переходить в ток проводимости - это явление называется электромагнитной индукцией.

Поэтому для тока смещения, как и для поля, действует принцип суперпозиции (для любого тока действует принцип суперпозиции), т.е., если движутся несколько зарядов, то их обратные токи смещения складываются в пространстве согласно принципу суперпозиции. Например, электромагнитная волна представляет периодически изменяющееся поле (переменный ток смещения) - сложение волн происходит согласно принципу суперпозиции.

При движении заряда в пространстве изменяется электрическое смещение поля, т.е. образуется вихревое электрическое поле - переменный ток смещения. При постоянном направленном движении электрических зарядов происходит суперпозиция токов смещения, которые представляют непрерывно распространяющиеся возмущения поля, и в окружающем пространстве возникает постоянный обратный ток смещения. Например, плотность обратного постоянного тока смещения вокруг тонкого прямого провода бесконечной длины:

jсм = -I/2pr2,

где r - расстояние от оси провода, I - постоянный ток в проводе.

Что отражает принцип суперпозиции полей - полевых потоков. Т.е. независимо от того движется заряд самостоятельно или, например, в проводнике, всегда в окружающем пространстве вместе с ним движется электрический поток (поток электрического смещения), представляющий обратный ток электрического смещения.

Ток смещения входит в Максвелла уравнения на равных правах с током, обусловленным движением зарядов.

Ток смещения, в отличие от тока проводимости, не сопровождается выделением теплоты.

Т.е. электрический ток смещения течет без сопротивления, так как вакуум представляет идеальный диэлектрик. Электрическая напряженность поля возникает только при изменении тока смещения как вихревое электрическое поле.

Иногда ошибочно считается, что ток смещения всегда связан с вихревым электрическим полем, но это неверно, так как, если ток смещения постоянный, вихревое электрическое поле отсутствует. Вихревое электрическое поле - это вихревой поток электрического смещения поля, т.е. переменный ток смещения. Рассмотрим такой пример: если между обкладками конденсатора поместить рамку, а в конденсаторе на какой-то период времени стабилизировать ток, сделав его постоянным, то кругового тока в рамке при любом ее положении не будет, несмотря на то, что между обкладками конденсатора будет течь постоянный ток смещения (будет постоянное магнитное поле). Таким образом, вихревое электрическое поле возникает при изменении плотности тока смещения, например, когда ток смещения между обкладками конденсатора возрастает или уменьшается, т.е. отсутствие вихревого электрического поля не говорит о том, что ток смещения отсутствует. С другой стороны, возникновение вихревого электрического поля всегда указывает на то, что в пространстве изменяется плотность тока смещения. Например, возникновение вихревого электрического поля при включении и выключении электромагнита говорит о том, что ток смещения при включении возрастает, а при выключении уменьшается. В период, когда магнитное поле не изменяется, плотность тока смещения также не изменяется и, соответственно, нет вихревого электрического поля, поэтому постоянное магнитное поле не действует на покоящиеся электрические заряды.

Введение Максвеллом тока смещения не только позволило предсказать существование электромагнитных волн, но и дало возможность понять физическую сущность электромагнитных явлений, т.е. наглядно представить электродинамику процессов, протекающих в полевой материи, так как любые изменения поля всегда связаны с токами смещения. Таким образом, линиями электрического тока смещения можно достаточно наглядно представить электродинамику полевых процессов. В книгах по электродинамике хотя и говорится, что при движении зарядов в окружающем пространстве текут токи смещения, но, к сожалению, ни одного рисунка, наглядно изображающего этот процесс, так и не удалось найти.

Рассмотрим токи смещения, возникающие при движении электрических зарядов.

На рисунке знаком (+) обозначена область, куда переместился положительный заряд и где возникает возмущение (электрическое смещение поля), т.е. распространяется положительное электрическое возмущение поля. Знаком (-) обозначена область, где раньше был заряд и где исчезает возмущение, т.е. распространяется отрицательное возмущение. Обратные токи смещения, образованные распространением двух разноименных областей возмущения, возникающих при движении заряда, изображены линиями токов смещения, стрелки - направление токов как векторная сумма распространяющихся возмущений от двух разноименных областей. Надо заметить, что ток смещения "стекает" в (-) - область, хотя возмущение распространяется из (-)-области (аналогия с током проводимости, где отрицательно заряженные электроны движутся в одну сторону, но принято считать, что ток течет в обратном направлении). Распространение возмущения из (+) - области совпадает с направлением тока смещения. Токи смещения, порожденные движущимися зарядами, как и возмущения поля, распространяются в пространстве независимо от источников с одной и той же скоростью, равной скорости света, поэтому для них действует принцип суперпозиции, т.е. надо отдельно рассматривать каждый движущийся заряд, а потом суммировать все токи смещения, которые их сопровождают, на основе принципа суперпозиции. При движении цепочки зарядов поперечные токи смещения, имеющие встречное направление, взаимонейтрализуются, образуя постоянный обратный ток смещения, при этом также взаимонейтрализуется электрическая напряженность поля, связанная с токами смещения.

Ток проводимости представляет собой движение зарядов, поэтому в окружающем пространстве, согласно принципу суперпозиции, возникает обратный ток смещения, создаваемый движущимися зарядами. Когда ток течет по витку, то в окружающем пространстве возникает круговой ток смещения, имеющий обратное направление. При изменении тока смещения образуется вихревое электрическое поле. Если рядом с витком тока расположить, например, сверхпроводящий контур, то в нем за счет обратного объемного тока электрического смещения синхронно, но в обратном направлении возникает индукционный ток.

"... вихревое поле без каких бы то ни было добавочных сил может вызвать непрерывное течение электричества по замкнутым проводам. Это течение и наблюдается в виде индукционных токов"

Также самоиндукция связана с обратными токами смещения, с запаздыванием распространения возмущений. При остановке зарядов обратные токи смещения, еще некоторое время, продолжая течь (как возмущения поля), воздействуют на заряды.

Чтобы не задумываться о том, что электрическое воздействие (возмущение) распространяется в пространстве с конечной скоростью, вводятся линии магнитной индукции и рассматривается взаимодействие с ними электрических токов. Линии магнитной индукции не являются силовыми линиями (линиями действия силы), например, направление вектора магнитной силы, возникающей между параллельными проводниками с постоянным током, не совпадает с направлением линий магнитной индукции. Также в данном примере видно, что магнитное поле не является вихревым, так как у вихревых полей работа сил при движении по замкнутой линии может быть отлична от нуля, что является признаком вихревого поля. Вихревые поля могут возбуждать вихревые электрические токи. Таким образом, постоянное магнитное поле является соленоидальным, но не вихревым.

"Прямая, вдоль которой направлена сила, называется линией действия силы". "Работа сил вихревого электрического поля при движении электрического заряда по замкнутой линии может быть отлична от нуля."

Работа сил вихревого электрического поля или вихревого магнитного поля при движении электрического заряда или магнита по замкнутой линии может быть отлична от нуля. Например, в электромагнитных волнах электрические и магнитные потоки являются вихревыми.

Магнитное поле, хотя соленоидально, но не всегда является вихревым. Надо заметить, что некоторые авторы книг по электродинамике путают соленоидальные поля с вихревыми, индукционные линии с силовыми. У электрического поля, действительно, индукционные линии совпадают с силовыми, но это никак не относится к магнитному полю, где индукционные линии не всегда совпадают с силовыми линиями действия поля.

Также по линиям магнитной индукции, например, невозможно определить направление силы, действующей на покоящийся электрический заряд в момент включения электромагнита в случае, когда магнит и заряд находятся в покое, т.е. по линиям магнитной индукции невозможно определить направление силы, действующей на покоящийся заряд в переменном магнитном поле. Представляя магнитное поле линиями токов смещения, таких проблем не возникает. По силе, действующей на покоящийся электрический заряд в момент включения электромагнита, можно определить направление тока смещения в конкретной точке магнитного поля. Изменение любого электрического тока всегда связано с электрической напряженностью.

"Магнитное поле, непостоянное во времени, оказывает силовое действие на покоящиеся электрические заряды и приводит их в движение; ..."

Данное правило, по сути, является неверным, так как не учитываются токи смещения (магнитное поле вообще не действует на покоящиеся заряды). Правильной же является такая формулировка: переменное магнитное поле представляет переменный ток электрического смещения, который проявляется как вихревое электрическое поле и оказывает силовое действие на покоящиеся электрические заряды. Например, если покоящийся заряд находится в центре соленоида, то при включении или выключении тока в соленоиде на заряд не действует сила, несмотря на то, что изменяется поток магнитной индукции, так как в центре соленоида ток смещения отсутствует и, соответственно, отсутствует вихревое электрическое поле. Достаточно взглянуть на примеры в учебниках, из которых видно, что ток смещения в центре соленоида отсутствует.

Таким образом, в центре соленоида переменное магнитное поле не оказывает силового действия на покоящиеся электрические заряды и не приводит их в движение. Ось соленоида - это "мертвая" линия магнитного поля, вокруг которой текут электрические токи смещения. Такая "мертвая" линия имеется у любого магнита.

Для примера рассмотрим также другой эксперимент, где электромагнитная индукция возникает "без магнитного поля".

В центральной точке между двумя электромагнитами, где магнитное поле, согласно принципу суперпозиции полей, равно нулю, установлен пробный электрический заряд.

[N] (+) [S]

[N] и [S] - полюса двух электромагнитов, (+) - пробный положительный электрический заряд.

Если электромагниты выключать по отдельности, то на заряд будет действовать сила, направленная вверх.

"Электромагнитная индукция - возникновение электрического поля, электрического тока или электрической поляризации при изменении во времени магнитного поля или при движении материальных сред в магнитном поле." магнитный электрический ток

При одновременном выключении электромагнитов на заряд также будет действовать сила, направленная вверх, хотя магнитное поле в точке, где находится заряд, всегда будет оставаться равным нулю. Т.е. в точке, где находится заряд, магнитное поле не изменяется и всегда равно нулю, но тогда почему на заряд действует сила? Парадокс с электромагнитной индукцией можно объяснить присутствием токов смещения, которые текут в одном направлении и складываются согласно принципу суперпозиции. Обнаружить токи смещения можно по силе, действующей на заряд в момент включения или выключения электромагнита. Данный пример показывает, что переменный ток смещения, действует на покоящийся электрический заряд даже в тех точках поля, где нет магнитной индукции. В приведенном примере электромагниты можно заменить на постоянные магниты, которые раздвигаются симметрично относительно покоящегося заряда. Также можно привести и другие примеры, например, возникновение индукционного тока внутри трубки, по которой течет переменный ток, хотя магнитная индукция внутри трубки отсутствует. Т.е., рассматривая переменные магнитные поля, необходимо учитывать не только магнитную индукцию, но и токи смещения.

Магнитное поле внутри провода, имеющего вид трубки, отсутствует, но индукционный ток возникает, т.е. изменяющийся ток смещения проявляется как вихревое электрическое поле. Плотность обратного постоянного тока смещения в центре прямого провода бесконечной длины, имеющего вид трубки:

jсм = -I/2pr2,

где r - радиус провода, I - постоянный ток в проводе.

В пространстве вокруг магнита (в магнитном поле) непрерывно текут токи электрического смещения, которые можно обнаружить, например, как вихревые электрические поля при включении и выключении электромагнита, так как вихревые электрические поля представляют переменные (вихревые) потоки электрического смещения, а это есть переменные токи электрического смещения.

У магнитного поля между обкладками конденсатора линии магнитной индукции имеют противоположное направление. Например, сверхпроводящий контур между обкладками конденсатора имеет противоположное направление тока, так как токи смещения между обкладками конденсатора "прямые", а не "обратные".

Надо заметить, что вихревое электрическое поле между обкладками конденсатора возникает только в момент изменения тока, а в тот период времени, когда ток смещения постоянный, вихревое электрическое поле отсутствует и в контуре круговой ток не возникает, поэтому между током смещения и круговым током в контуре имеется сдвиг фаз, если контур не сверхпроводящий.

Также направление линий магнитной индукции между обкладками конденсатора можно определить по повороту рамки (контура с током), если синхронно подать переменный ток на конденсатор и рамку. При одновременном изменении тока момент силы в рамке сохраняет свое направление. В процессе заряда и разряда конденсатора по его обкладкам течет электрический ток; зная, что проводники притягиваются, когда направление тока совпадает, можно представить, как развернутся рамки с током между обкладками конденсатора - ориентация рамок указывает направление линий магнитной индукции. На рисунке показано, как развернутся рамки с током, стрелки - направление токов.

Во многих случаях магнитное поле удобнее представлять линиями электрического тока смещения или как движущиеся электрические потоки, тем самым из-за наглядности уменьшается вероятность технических ошибок. Например, в учебной литературе направление линий магнитной индукции между обкладками конденсатора изображено неправильно - в обратную сторону. Видимо, за всю историю магнетизма на самом деле никто экспериментально не проверил направление линий магнитной индукции между обкладками конденсатора (не было практической необходимости, хотя проверить не сложно). Надо заметить, что направление магнитной индукции между обкладками конденсатора можно просто определить по правилу возникновения магнитной индукции: если ладонь левой руки расположить так, чтобы четыре пальца указывали направление движения электрического потока, а вектор D входил в ладонь, тогда отставленный большой палец укажет направление вектора B

B = m0[vD]

Т.е., чтобы определить направление линий магнитной индукции, достаточно рассмотреть движение электрических потоков, связанных с зарядами, которые движутся в обкладках конденсатора. Остается надеяться, что авторы книг по электродинамике учтут замечания и исправят обнаруженные ошибки.

Рассмотрим еще один пример. Возьмем два цилиндра, один из которых имеет электрический заряд, а другой представляет собой постоянный магнит. Если закрепить их на одной оси, проходящей через центр цилиндров, как изображено на рисунке, и начать вращать (синхронно и в одном направлении), то в зависимости от направления вращения цилиндры будут либо притягиваться, либо отталкиваться, так как заряженный цилиндр будет своим вращением создавать круговой электрический ток и, соответственно, магнитное поле. Нарушение симметрии между правым и левым вращением относительно полевого пространства позволяет построить электромагнитный датчик, измеряющий направление и скорость вращения.

Надо заметить, что для уравновешивания электрического притяжения магнит можно поместить симметрично между двумя разноименно заряженными цилиндрами.

Или, наоборот, заряженный цилиндр можно поместить симметрично между двумя магнитами.

Вращательное движение магнита, в отличие от прямолинейного движения, не создает вихревого электрического поля, т.е. между вращающимися цилиндрами возникает только сила Лоренца, по которой можно определить направление и скорость вращения. При одновременном прямолинейном движении возникающая сила Лоренца между магнитом и зарядом уравновешивается вихревым электрическим полем, которое создает движущийся магнит, образуя в пространстве изменяющееся магнитное поле (изменяющийся магнитный поток). При вращательном же движении цилиндрического магнита с осью вращения, проходящей через полюса, вихревое электрическое поле не возникает, так как магнитное поле в пространстве не изменяется. На этом принципе могут действовать различные конструкции автономных электромагнитных датчиков вращения относительно полевого пространства, для которых не нужны внешние ориентиры, например, такие датчики могут быть использованы в космосе.

Переменное магнитное поле всегда связано с переменным током смещения, который проявляется в виде вихревого электрического поля, поэтому: "... переменные электрические и магнитные поля не могут существовать друг без друга..."

"Вихревая составляющая электрического поля возникает при изменении во времени магнитного поля"

Изменение плотности тока электрического смещения проявляется как вихревое электрическое смещение (электрическая напряженность).

"В частности, электрическое поле, создаваемое системой неподвижных зарядов, является чисто потенциальным. Электрическое поле излучения, в том числе поле в поперечных электромагнитных волнах, является чисто вихревым"

Потоки электрического смещения поля измеряются в кулонах, поэтому распространяющиеся изменения поля (движущиеся потоки) представляют собой ток смещения. Потоки бывают постоянные (электростатические поля), переменные и вихревые. Вихревое электрическое поле - это вихревой поток электрического смещения поля, что представляет переменный ток смещения. Постоянное магнитное поле - это постоянный ток смещения, не представляющий вихревое электрическое поле, поэтому оно не действует на покоящиеся электрические заряды; распространяющиеся изменения электрического поля (движущиеся потоки) являются постоянными - ток смещения постоянный. Замкнутый постоянный ток смещения, так же как и ток в сверхпроводящем кольце, не создает электрической напряженности поля.

Хотя приведенное описание процессов не является достаточно полным и безупречным, оно дает представление о механизме электромагнитной индукции. С другой стороны, более привычно представлять электродинамические взаимодействия через дополнительную характеристику - индукцию магнитного поля, отсюда название - электромагнитные взаимодействия, хотя реально в природе существует только электрическое поле, а магнитное поле образовано движущимися электрическими потоками

B = m0[vD]

и связанными с ними токами смещения.

"В результате магнитное поле можно рассматривать как неизбежный релятивистский результат движения электрических зарядов (тока) и нестационарности создаваемого ими электрического поля (тока смещения)"

"Поле, порожденное движущимися зарядами, распространяется в свободное от них пространство независимо от источников с одной и той же скоростью с (рис.1, изображено запаздывание распространения смещения электрического поля при перемещении заряда)."

"Таким образом, появление магнитного поля токов есть чисто релятивистский эффект и никакой новой физической субстанции (например, в виде магнитных зарядов) появляться не должно, что и подтверждается экспериментально"

Так как магнитное взаимодействие представляет электродинамический процесс, для магнитного поля больше подходит термин "электродинамический эффект". Но, несмотря на это, чтобы не возникала путаница, в тексте сохранена привычная терминология, т.е. используется термин "релятивистский" эффект, а не "электродинамический".

Надо заметить, иногда возникновение магнитного поля пытаются объяснить тем, что при движении зарядов напряженность электрического поля в направлении, перпендикулярном движению, возрастает по отношению к покоящимся зарядам.

Приводя идеалистические интерпретации, всегда как бы забывают рассмотреть симметричное движение разноименных зарядов. Например, две разноименно заряженные плоскости одновременно движутся в противоположных направлениях, при этом все равно возникает магнитное поле, т.е., если перпендикулярно плоскостям движется заряд, то на него будет действовать сила Лоренца. Таким образом, нельзя объяснить возникновение магнитного поля как возрастание электрической напряженности поля движущихся зарядов. Поэтому для магнитного поля правильнее вернуться к старой терминологии - "электродинамическое взаимодействие" или "электродинамический эффект".

После открытий Эрстеда и Ампера стало ясно, что электричество обладает магнитной силой. Теперь необходимо было подтвердить влияние магнитных явлений на электрические. Эту задачу блистательно решил Фарадей.

В 1821 году М. Фарадей сделал запись в своем дневнике: "Превратить магнетизм в электричество". Через 10 лет эта задача была им решена.

Итак, Майкл Фарадей (1791-1867) - английский физик и химик.

Один из основателей количественной электрохимии. Впервые получил (1823) в жидком состоянии хлор, затем сероводород, диоксид углерода, аммиак и диоксид азота. Открыл (1825) бензол, изучил его физические и некоторые химические свойства. Ввел понятие диэлектрической проницаемости. Имя Фарадея вошло в систему электрических единиц в качестве единицы электрической емкости.

Многие из этих работ могли сами - по себе обессмертить имя их автора. Но наиболее важными из научных работ Фарадея являются его исследования в области электромагнетизма и электрической индукции. Строго говоря, важный отдел физики, трактующий явления электромагнетизма и индукционного электричества, и имеющий в настоящее время такое громадное значение для техники, был создан Фарадеем из ничего.

Когда Фарадей окончательно посвятил себя исследованиям в области электричества, было установлено, что при обыкновенных условиях достаточно присутствия наэлектризованного тела, чтобы влияние его возбудило электричество во всяком другом теле.

Вместе с тем было известно, что проволока, по которой проходит ток и которая также представляет собою наэлектризованное тело, не оказывает никакого влияния на помещенные рядом другие проволоки. Отчего зависело это исключение? Вот вопрос, который заинтересовал Фарадея и решение которого привело его к важнейшим открытиям в области индукционного электричества.

На одну и ту же деревянную скалку Фарадей намотал параллельно друг другу две изолированные проволоки. Концы одной проволоки он соединил с батареей из десяти элементов, а концы другой - с чувствительным гальванометром. Когда был пропущен ток через первую проволоку, Фарадей обратил все свое внимание на гальванометр, ожидая заметить по колебаниям его появление тока и во второй проволоке. Однако ничего подобного не было: гальванометр оставался спокойным. Фарадей решил увеличить силу тока и ввел в цепь 120 гальванических элементов. Результат получился тот же. Фарадей повторил этот опыт десятки раз и все с тем же успехом. Всякий другой на его месте оставил бы опыты, убежденный, что ток, проходящий через проволоку, не оказывает никакого действия на соседнюю проволоку. Но фарадей старался всегда извлечь из своих опытов и наблюдений все, что они могут дать, и потому, не получив прямого действия на проволоку, соединенную с гальванометром, стал искать побочные явления.

Сразу же он заметил, что гальванометр, оставаясь совершенно спокойным во все время прохождения тока, приходит в колебание при самом замыкании цепи и при размыкании ее оказалось, что в тот момент, когда в первую проволоку пропускается ток, а также когда это пропускание прекращается, во второй проволоке также возбуждается ток, имеющий в первом случае противоположное направление с первым током и одинаковое с ним во втором случае и продолжающийся всего одно мгновение Эти вторичные мгновенные токи, вызываемые влиянием первичных, названы были Фарадеем индуктивными, и это название сохранилось за ними доселе.

Будучи мгновенными, моментально исчезая вслед за своим появлением, индуктивные токи не имели бы никакого практического значения, если бы Фарадей не нашел способ при помощи остроумного приспособления (коммутатора) беспрестанно прерывать и снова проводить первичный ток, идущий от батареи по первой проволоке, благодаря чему во второй проволоке беспрерывно возбуждаются все новые и новые индуктивные токи, становящиеся, таким образом, постоянными. Так был найден новый источник электрической энергии, помимо ранее известных (трения и химических процессов), - индукция, и новый вид этой энергии - индукционное электричество.

Электромагнитная индукция

(лат. inductio - наведение) - явление порождения вихревого электрического поля переменным магнитным полем. Если внести в переменное магнитное поле замкнутый проводник, то в нем появится электрический ток. Появление этого тока называют индукцией тока, а сам ток - индукционным.

Опыт, позволяющий наблюдать явление электромагнитной индукции.

Примером на применение явления электромагнитной индукции в моей работе стал индукционный генератор переменного тока.

Индукционный генератор переменного тока.

В индукционных генераторах переменного тока механическая энергия превращается в электрическую. Индукционный генератор состоит из двух частей: подвижной, которая называется ротором, и неподвижной, которая называется статором. Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции. Индукционные генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении. В настоящее время имеется много типов индукционных генераторов, но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, состоящая из последовательно соединенных витков, в которых индуцируется переменная электродвижущая сила. Так как электродвижущие силы, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда электродвижущей силы индукции в обмотке пропорциональна числу витков в ней.

Число силовых линий, пронизывающих каждый виток, непрерывно меняется от максимального значения, когда он расположен поперек поля, до нуля, когда силовые линии скользят вдоль витка. В результате при вращении витка между полюсами магнита через каждые пол-оборота направление тока меняется на противоположное, и в витке появляется переменный ток. Во внешнюю цепь ток отводится при помощи скользящих контактов. Для этого на оси обмотки укреплены контактные кольца, присоединенные к концам обмотки. Неподвижные пластины - щетки - прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки с внешней цепью.

Пусть виток провода вpащается в одноpодном магнитном поле с постоянной угловой скоpостью . Магнитный поток, пронизывающий виток, меняется по закону

,

здесь S - площадь витка. Согласно закону Фаpадея в обмотке наводится электродвижущая сила индукции, которая опpеделяется следующим обpазом:

,

где N - число витков в обмотке. Таким образом, электродвижущая сила индукции в обмотке изменяется по синусоидальному закону и пpопоpциональна числу витков в обмотке и частоте вpащения.

В опыте с вращающейся обмоткой статором является магнит и контакты, между которыми помещена обмотка. В больших промышленных генераторах вращается электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится электродвижущая сила, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. На тепловых электростанциях для вращения ротора используются паровые турбины. Турбины, в свою очередь, приводятся во вращение струями водяного пара, полученного в огромных паровых котлах за счет сжигания угля или газа (теплоэлектростанции) или распада вещества (атомные электростанции). На гидроэлектростанциях для вращения ротора используются водяные турбины, которые вращаются водой, падающей с большой высоты.

Электрогенераторы играют важнейшую роль в развитии нашей технологической цивилизации, поскольку позволяют получать энергию в одном месте, а использовать ее в другом. Паровая машина, например, может преобразовывать энергию сгорания угля в полезную работу, но использовать эту энергию можно только там, где установлены угольная топка и паровой котел. Электростанция же может размещаться весьма далеко от потребителей электроэнергии - и, тем не менее, снабжать ею заводы, дома и т.п.

Рассказывают (скорее всего, это всего лишь красивая сказка), будто Фарадей демонстрировал прототип электрогенератора Джону Пилу, канцлеру казначейства Великобритании, и тот спросил ученого: "Хорошо, мистер Фарадей, все это очень интересно, а какой от всего этого толк?".

"Какой толк? - якобы удивился Фарадей. - Да вы знаете, сэр, сколько налогов эта штука со временем будет приносить в казну?!"

Заключение

Изыскания в области индукции, производимой земным магнетизмом, дали Фарадею возможность высказать еще в 1832 году идею телеграфа, которая затем и легла в основу этого изобретения.

А вообще открытие электромагнитной индукции недаром относят к наиболее выдающимся открытиям XIX века - на этом явлении основана работа миллионов электродвигателей и генераторов электрического тока во всем мире...

Размещено на Allbest.ru