Электромагнитная индукция

Контрольная работа

Электромагнитная индукция

1. Электромагнитная индукция

То, что все физические явления представляют собой лишь различные проявления одной и той же сущности, или, говоря словами Анджело Секки (1818--1879), идея «единства физических сил», было основной философской предпосылкой физики прошлого века. Систематическое применение этого принципа мы постоянно находим в работах одного из самых проницательных исследователей всех времен -- Майкла Фарадея (1791--1867). Какова связь между электричеством и магнетизмом? Можно ли превратить одно в другое? Эти вопросы ставил перед собой Фарадей, начиная в 1822 г. свои экспериментальные исследования и вновь безуспешно возвращаясь к ним в 1825 г.

Эксперименты, поставленные после открытия Эрстеда, показали, что электрический ток сильно изменяет намагниченность магнита. В связи с этим Фарадей ожидал, что и магнит должен влиять на силу тока. В конце концов, в 1831 г. Фарадей сделал свое самое великое открытие -- явление электромагнитной индукции. Наиболее наглядное проявление электромагнитной индукции было получено Фарадеем с помощью нехитрого прибора. На железное кольцо наматывались две отдельные спирали, из коих одна соединялась с батареей, а другая -- с гальванометром. При замыкании первой цепи наблюдалось резкое отклонение стрелки гальванометра, при размыкании цепи наблюдалось отклонение противоположного знака. Этот важный опыт, всячески видоизменявшийся, позволил Фарадею «получить электричество из магнетизма» простейшим, сейчас хорошо известным способом: достаточно вводить магнит в спиральный проводник, соединенный с гальванометром, чтобы получить отклонение стрелки в одну сторону; при выводе магнита из спирали стрелка отклоняется в противоположную сторону.

В 1824 г. Араго заметил, что массивный медный корпус довольно сильно замедляет колебания стрелки компаса. Это наблюдение навело его на мысль поставить свой знаменитый опыт, в ходе которого обнаружилось отклонение магнитной стрелки при вращении медного диска, расположенного над или под нею. Придуманные для объяснения этого явления теории были столь искусственны, что для большинства ученых опыт Араго так и остался загадкой. После открытия явления электромагнитной индукции Фарадей подумал, что обнаруженное Араго явление может также объясняться появлением индуктивных токов в диске. Чтобы убедиться в этом, Фарадей стал вращать медный диск между полюсами магнита, подсоединив концы цепи гальванометра один к оси, а другой к краю диска. При вращении диска гальванометр указывал на наличие тока постоянного направления, величина которого менялась в зависимости от скорости вращения диска. Этим опытом Фарадей не только установил новое физическое явление, но и дал первый образец генератора электрического тока, отличного от батареи, т. е. дал этим первый толчок к развитию мощной современной электротехнической промышленности с ее всевозможнейшими практическими применениями.

Однако Фарадея не интересовали практические применения. Проведенный опыт позволял выявить качественные законы явления индукции. Из этого опыта Фарадей вывел правило, позволяющее определить направление тока в прямолинейном проводнике, движущемся перед полюсом магнита. Именно в связи с этим Фарадей впервые говорит о «магнитных кривых»: «Под магнитными кривыми я понимаю линии магнитных сил, хотя и искаженные соседством полюсов; эти линии вырисовываются железными опилками; к ним касательно располагались бы весьма маленькие магнитные стрелочки».

Фарадей видоизменял свои опыты самыми различными способами: применял и нитеобразные проводники, и дискообразные, вращал то магнит по отношению к электрическому контуру, то контур относительно магнита или земли. В результате он пришел к выводу, что электродвижущая сила индукции не зависит от природы проводника, и выдвинул следующую теорию относительно этого явления, в общих чертах оставшуюся неизменной с 1831 г. до наших дней: «Когда через провод проходит электрический ток, то этот провод во всех своих точках окружен магнитными кривыми, интенсивность которых убывает с расстоянием; мысленно можно уподобить их кольцам, расположенным в плоскостях, перпендикулярных проводу, или, вернее, протекающему в нем току. Хотя и отличные по форме, эти кривые являются совершенно аналогичными тем, которые существуют между двумя обращенными друг к другу разноименными полюсами. Когда второй провод, параллельный тому, который несет ток, приближают к последнему, то он проходит через магнитные кривые точно того же рода, которые он пересекал бы при своем перемещении в некотором направлении между противоположными полюсами».

Если нет перемещения индуцирующего проводника относительно проводника, в котором индуцируется ток, то ток не появляется, потому что тогда силовые линии не пересекаются. Когда индуцирующий проводник удаляется от второго проводника, силовые линии пересекаются в противоположном направлении и возникающий ток также идет в обратном направлении. Если оба проводника неподвижны, то при включении тока в индуцирующем проводнике происходит то же самое, как если бы магнитные кривые двигались «...с момента, когда они начинают развиваться, и вплоть до того момента, когда магнитная сила тока достигает наибольшего значения; они как бы распространяются в стороны от провода и, следовательно, оказываются по отношению к неподвижному, индуцируемому проводу в том же положении, как если бы он двигался в противоположном направлении поперек них или по направлению к несущему ток проводу».

В этих немногих словах заключаются очень важные и новые мысли: первое описание электромагнитного поля, мысль о зависимости интенсивности поля от числа магнитных кривых, распространение во времени магнитных возмущений.

Исследованиями в этом новом направлении, указанном Фарадеем, занялись многие физики: Джозеф Генри (1797--1878), который, как считают американцы, еще до Фарадея открыл явление индукции, обнаружил также явление самоиндукции, независимо от него открытое в 1833 г. Сальваторе даль Негро (1768--1839), а в следующем году -- одновременно Уильям Дженкин и Антуан Массой (1806--1858). Особенно важными были работы Генри (1838 г.) по исследованию «токов высшего порядка», т. е. токов, индуцированных другими индуцированными токами. Это явление за год до того экспериментально установил Марианини. Явление это вовсе не так уж само собой очевидно, как может показаться сегодня. Исследования токов высшего порядка привели Генри в 1842 г. к выводу, что разряд лейденской банки состоит не из одного перехода электричества с одной обкладки на другую, а из целой серии быстро затухающих электрических колебаний. К этому же выводу в 1847 г. пришел Гельмгольц в своей статье «О сохранении силы».

В 1834 г. петербургский академик Эмиль Христианович Ленц (1804--1865) заметил, что правила Фарадея и Нобили, служащие для определения направления индуктивных токов, предусматривали слишком много различных случаев, тогда как, учитывая электродинамический закон Ампера, их можно было легко свести к одному-единственному правилу, применимому во всех случаях. Исходя из этого, Ленц сформулировал правило, носящее сейчас его имя.

2. Эмиль Христианович Ленц

Heinrich Friedrich Emil Lenz, 1804-65

Российский физик. Родился в Дерпте (ныне Тарту, Эстония), окончил Дерптский (ныне Тартуский) университет. Еще будучи студентом, участвовал в кругосветной геологической экспедиции. Преподавал в Петербургском университете, с 1836 года в качестве профессора. Ленц играл видную роль в российских научных кругах своего времени. Все основные научные исследования Ленца были направлены на изучение явлений электропроводности и электромагнетизма.

Имя Э.Х. Ленца, как и имена выдающихся ученых М. Фарадея, А.М. Ампера, Г.С. Ома, известно каждому образованному человеку еще со школьной скамьи. Фундаментальные исследования Ленца в области физики и электромагнетизма принесли ему мировую славу. Он по праву считается одним из основателей учения об электрических и магнитных явлениях.

3. Открытие закона Ленца

Несмотря на то что первые научные исследования Ленца относились в основном к области геофизики, его наиболее выдающиеся открытия связаны с изучением электромагнитных явлений. Особый интерес к этим явлениям объясняется, видимо, заметной активизацией научных исследований в области электромагнетизма, связанной с обнаружением электродинамических явлений, открытием важнейших законов Ампером и Омом. Будучи незаурядным экспериментатором, Ленц не мог не убедиться в справедливости открытых законов, тем более что еще не существовало точных приборов и методов измерений электрических и магнитных величин, не было также общепризнанных единиц измерения и эталонов и даже закон Ома многими физиками ставился под сомнение.

Имея немалый опыт работы с крутильными весами Кулона, которые использовались в процессе экспериментов, уже в ноябре 1832 года Ленц подтвердил справедливость закона Ома, что способствовало признанию этого закона физиками разных стран.

Первым важнейшим изобретением Ленца была разработка баллистического метода измерений для изучения законов индукции. В 1832 г., узнав об открытии Фарадеем явления электромагнитной индукции, Ленц приступил к экспериментам с целью установления количественных законов индукции. Он считал, что «сила мгновенного тока индукции» действует подобно удару, причем сила этого удара может быть измерена по скорости, сообщаемой стрелке мультипликатора - единственного в то время индикатора электрического тока.

Схема установки Ленца состояла в следующем. На столе укреплялся постоянный магнит М с якорем А, имеющим обмотку, электрически соединенную с мультипликатором В. Показания мультипликатора можно было наблюдать через оптическую трубу Т с помощью зеркала С (рис. 1).

Баллистический метод измерения Ленца лежит в основе современного баллистического гальванометра. Вочного прибора для измерения переменных токов - электродинамометра Вебера, что позволило Ленцу еще в 30-х годах сделать ряд важнейших открытий.

В результате тщательного анализа экспериментов Ленц сделал ряд обобщений и выводов, которые позднее получили всеобщее признание и дальнейшее развитие, в частности в трудах Максвелла.

Он установил, что возникновение индуктированного тока зависит от скорости «отрывания» катушки от магнита; что электродвижущая сила, возбуждаемая в катушке, пропорциональна числу витков и равна сумме электродвижущих сил, возбуждаемых в каждом витке; при этом она не зависит от материала и диаметра обмотки якоря. Закономерности, впервые установленные Ленцем, явились важными количественными характеристиками явления электромагнитной индукции. Он первым использовал свои выводы для практических целей: вывел формулу для расчета обмотки электромагнитного генератора.

Заметим, что издатель известного в те годы журнала «Poggеndorff's Annalen» не рискнул опубликовать столь необычные и смелые выводы Ленца, они были напечатаны в мемуарах Академии наук (1833).

Но наиболее выдающимся открытием Ленца стал закон о направлении индуктированного тока, носящий его имя (именно «закон», а не «правило», как иногда его называют).

После открытия М. Фарадеем явления электромагнитной индукции он и ряд других ученых предложили мнемонические и довольно сложные «правила», позволяющие в частных случаях определять направление индуктированного тока.

Внимательно изучив все работы в этой области, Ленц в 1832 г. поставил ряд оригинальных опытов, а в ноябре 1833-го выступил в Академии наук с докладом «Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией». Поскольку в литературе нередко неточно, а иногда и ошибочно формулируется закон Ленца, приводим первоначальный текст из его доклада. «Если металлический проводник движется вблизи электрического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что он мог бы обусловить, в случае неподвижности данного проводника, его перемещение в противоположную сторону» (курсив наш - Я.Ш., рис. 2).

В этой работе Ленц писал: «По прочтении статьи Фарадея я пришел к мысли, что все опыты по электродинамической индукции могут быть легко сведены к законам электродинамических движений, так что если эти последние считать известными, то будут определены и первые; это мое представление оправдалось на ряде опытов».

Заслуга Ленца заключается не только в том, что он сформулировал общий закон о направлении индуктированного тока, но и - что не менее важно - убедительно доказал справедливость закона сохранения и превращения энергии при взаимных превращениях механической и электромагнитной энергии. (Термин «энергия» впервые был введен в 1853 г. английским ученым Ренкиным.)

Действительно, если перемещать под действием внешней силы магнит или проводник с током вблизи замкнутого проводникаическая энергия перемещения магнита или проводника с током превращается в электромагнитную энергию тока индукции.

И главное: по закону Ленца направление индуктированного тока таково, что вызываемая им сила препятствует движению, которым он был вызван, т.е. в присутствии магнита или проводника с током требуется бо'льшая затрата энергии, чем в их отсутствие. И эта часть механической энергии переходит в электромагнитную энергию индуктированного тока.

Закон Ленца был установлен за восемь лет до опубликования первой работы немецкого ученого Р. Майера, который считается одним из основоположников закона сохранения и превращения энергии. Поэтому Ленцу принадлежит заслуга в закладке основ этого фундаментального закона природы. В 1845 г. немецкий физик Ф. Нейман впервые математически сформулировал теорию индукции и предложил выражение для электродвижущей силы индукции, подтверждающее закон Ленца.

Использованная литература:

1. Большаков М.А “Большая Энциклопедия” М:Москва, 2001г.

2. Меньшиков Г.В “Законы Физики” Дрофа, 1998г.

3. Василенко Н.А, Никитин П.А “Справочник по Физике”