Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Опыты Фарадея и Генри по электромагнитной индукции.
Закон электромагнитной индукции.

Дата: 1831.

Методы: качественное и количественное исследование.

Прямота эксперимента: прямое наблюдение, в качестве измерительного прибора — гальванометр.

Искусственность изучаемых условий: естественные, упрощенные до модельных.

Исследуемые фундаментальные принципы: электромагнитная индукция.

После открытия Эрстедом и Ампером магнитного действия тока физиков, естественно, стал интересовать вопрос о возможности обратного процесса — создания электрического тока с использованием магнита.

Первые опыты, нацеленные на обнаружение такого явления, проводил как сам Майкл Фарадей (1791–1867), так и другие физики, например, Д. Колладон, — однако они не дали положительного результата. Изначально Фарадей предполагал, что ток, будучи жидкостью, протекая в одном проводнике, должен вызывать протекание тока в другой замкнутой цепи, расположенной недалеко от первой. Однако использование неподвижных друг относительно друга проводников и постоянного тока не позволяло обнаружить явление электромагнитной индукции.

Лишь после шести лет поисков этого явления, в 1831 г., Фарадей сделал предположение о том, что оно должно иметь место при изменении тока, текущего через один из проводников. Более того, он предположил, что в первоначальных его опытах, в которых использовались два параллельных линейных проводника (один, подключенный к источнику питания, другой — к гальванометру) эффект должен был быть очень слабым, хотя и имеющим место в моменты включения и выключения питания. Достигнуть успеха в подтверждении сделанного предположения ему помогла катушка индуктивности, изобретенная Джозефом Генри (1797–1878).

Генри за несколько лет до Фарадея поставил опыт, схема которого изображена на рисунке справа, однако он не осознал важности сделанного открытия, не сообщил никому о полученных результатах и не опубликовал их. Генри писал, что обнаружил способ усиления подъемной силы электромагнита до тонны, состоявший в использовании катушек с большим числом витков провода. Но с помощью своего изобретения он также открыл явления самоиндукции и взаимной индукции.

Тем не менее, считается, что Генри первым открыл явление самоиндукции: если подключить катушку индуктивности с большим числом витков к источнику напряжения, то ток в катушке будет возрастать постепенно, достигая своего максимального значения, причем тем медленнее, чем больше витков в катушке. Как мы сегодня знаем, в катушке возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует быстрым изменениям тока в ней:

где  — индуктивность катушки, а  — ток через нее. По сути дела, самоиндукция — это явление влияния на ток в катушке переменного магнитного поля, созданного им самим. Генри также обнаружил явление взаимной индукции, т.е. наведения тока в одной катушке при изменении тока в другой, изолированной от первой. В своем опыте Генри умудрился обнаружить это явление, когда одна катушка располагалась на втором этаже здания, а вторая — в подвале.

Фарадей же понял, что усиление магнитного потока, производимое катушкой Генри, может помочь в наблюдении искомой электромагнитной индукции, и он независимо от него создал прибор для ее обнаружения. Как уже говорилось, в 1831 г. первый опыт Фарадея показал, что индукционный ток возникает при замыкании и размыкании цепи, намотав двести футов медной проволоки на деревянный барабан и столько же футов вторичной обмотки поверх первой. Однако наблюдаемый эффект был очень слабым. Тогда Фарадей использовал железный кольцевой сердечник (использование железа для усиления действия электромагнитов было тоже предложено Генри), на который наматывал обе обмотки (схема эксперимента изображена выше справа). В результате эффект стал в десятки раз выразительней.

Наконец, Фарадей повторил опыт Генри, наблюдая возникновение индукционного тока в катушке при вдвигании и выдвигании из нее другой катушки, в которой тек постоянный ток. Также Фарадей использовал постоянный магнит в качестве второй катушки (см. рис. справа), еще раз убедительно доказав единство электрических и магнитных явлений.

Очень красивая реализация опытов Фарадея в виде Java-апплета представлена на интернет-страничке, где вы мышью вы можете двигать магнит или катушку с током внутри другой катушки и наблюдать за показаниями гальванометра.

Фарадей всесторонне исследовал явление электромагнитной индукции и предложил ее закон в известной сегодня форме, а именно в витке провода  возникает ЭДС, равная изменению потока магнитного поля  через поверхность , натянутую на него:

где  — нормальная к  компонента вектора магнитной индукции, а  — элемент площади поверхности . Формула выше именуется законом электромагнитной индукции. В случае катушки индуктивности ЭДС индукции, наведенная в каждом ее витке, суммируется, поэтому ЭДС индукции для катушки из  витков площадью S, которые пронизывает однородное магнитное поле , равна

где теперь  обозначает компоненту вектора магнитной индукции вдоль оси катушки.

Как следует из общего выражения для ЭДС индукции, последняя может возникать как при деформации проводящего контура или изменения его положения относительно силовых линий магнитной индукции, так и при изменении величины или направления вектора магнитной индукции при неподвижном контуре. Если в первом случае возникновение тока в проводнике может быть интерпретировано как действие силы Лоренца на заряды внутри проводника, движущиеся вместе с ним, то во втором случае заряды в неподвижном проводнике должна заставлять двигаться некоторая «сторонняя» сила. Это замечание заставило впоследствии Дж.К. Максвелла предположить, что заряды в последнем случае движутся под действием вихревого электрического поля, возникающего как результат изменения вектора магнитной индукции во времени. Это привело Максвелла к следующему обобщению для закона электромагнитной индукции Фарадея:

или в дифференциальной форме

Это одно из уравнений Максвелла, наложенных уже на само электромагнитное поле. Его также порой называют законом Фарадея. Как видим, в левой части интегральной формы этого уравнения и стоит ЭДС, вызываемая вихревой компонентной электрического поля (потенциальная компонента не дает вклада в циркуляцию, или интеграл по замкнутому контуру ). Подробнее об уравнениях Максвелла см. соответствующий раздел.

Важно также отметить, что множитель  в законе электромагнитной индукции связан с выбранной системой единиц для измерения напряженностей и индукций электрического и магнитного полей; в нашем случае использована система СГС. Вообще же говоря, закон электромагнитной индукции позволяет связать единицы измерения для электрических и магнитных величин; то, что в системе СГС указанный множитель равен обратной скорости света в вакууме, следует лишь из уравнений Максвелла.

<<К предыдущему эксперименту  |  Электродинамика  |  К следующему эксперименту>>