Известно, что электрический ток, текущий по проводнику, порождает вокруг себя магнитное поле. А может ли в природе существовать обратный процесс? Может ли магнитное поле быть использовано для создания электрического тока?
В XIX веке физики серьезно над этим задумались. Одним из таких ученых был англичанин Майкл Фарадей (на фото выше). Именно он рассказал всему миру, что такое индукция.
Превращение механической работы в энергию и наоборот
Электромагнитная индукция — это явление, на котором держится почти вся современная энергетика. Известно, что механическую работу можно превратить в тепло. Это сделать очень легко, нужно просто потереть ладони друг о друга. Так механическая работа переходит во внутреннюю энергию ладоней. Возможен ли обратный процесс? Можно ли тепловую энергию (внутреннюю) превратить в механическую работу? Можно, и это реализовано, например, в двигателях внутреннего сгорания.
Итак, в природе существует возможность провести процесс в одном направлении — превратить внутреннюю работу в тепловую энергию. Каким образом сделать все наоборот — внутреннюю энергию преобразовать в механическую работу (энергию)? Это открытие сделал Майкл Фарадей.
Тернистый путь Фарадея в науку
Семья Майкла жила в пригороде Лондона и еле сводила концы с концами. Продукты питания были настолько дорогими, что на неделю мальчику выделяли одну буханку хлеба, другой еды не было. Фарадей не стал работать у отца в кузне, не стал помогать маме-горничной. Когда ему исполнилось двенадцать, он устроился в книжный магазин. Сначала он работал посыльным, а потом помощником переплетчика, именно это решило судьбу Фарадея.
Он имел доступ к сотням книг, но наибольший интерес у него вызывали труды по различным разделам естествознания. Так Майкл увлекся науками, он читал Британскую энциклопедию и другие научные издания. Многие опыты, которые были там описаны, мальчик, несмотря на свой скромный достаток, повторял.
Казалось, что простому переплетчику невозможно пробиться в научный мир, но в судьбу вмешался случай. В книжный магазин, где работал Фарадей, часто приходили естествоиспытатели из Британской академии. Они увидели, что Майкл читает Британскую энциклопедию, заметили его заинтересованность, жажду знаний, поэтому предложили ему посетить лекцию мирового светила науки Гемфри Дэви.
Дэви читал курс популярных лекции по физике и химии. Мальчик законспектировал лекции, красиво переплел конспект и передал их ученому с просьбой, чтобы тот взял его к себе на работу.
Дэви отказал юному дарованию, потому что на тот момент не было вакансий, однако Фарадею в очередной раз улыбнулась удача. В лаборатории, где работал Гемфри Дэви, произошел взрыв, и стеклянная посуда, лопнув, повредила зрение физика. Какое-то время ученый не мог читать и писать. К счастью, он вспомнил о мальчике, который интересуется наукой, и пригласил его к себе в помощь. Через некоторое время Дэви окончательно взял Фарадея к себе на работу.
Неудачные попытки Фарадея превратить магнетизм в электричество
Разберем опыт, который проводил Фарадей, чтобы открыть, что такое индукция. Он взял довольно толстое железное кольцо и намотал на него несколько катушек, которые были изолированы друг от друга. Одну катушку физик подключил к гальванометру, а другую присоединил к источнику тока. Замыкая цепь, Фарадей заметил, что стрелка гальванометра дергалась. Он проверял изоляцию и то, не перетекает ли часть тока в другую катушку. Но оказывалось, что изоляция везде исправна.
Еще удивительнее было то, что даже при размыкании цепи стрелка гальванометра тоже дергалась. В дальнейшем Фарадею удалось разобраться, в чем причина этого явления. Чтобы прийти к этому пониманию, он использовал не только катушки с несколькими обмотками, но и железные стержни, магниты. Ученый размышлял, как можно превратить магнетизм в электричество.
Первый успех
Открытие явления электромагнитной индукции датировано 29 августом 1831 года. Через 11 лет после опытов Эрстеда, когда было получено магнитное поле с помощью электрического тока, Фарадею удалось получить индукцию магнитного тока. Но это было только начало исследований. Для того чтобы разобраться, что происходит, физик провел целую серию экспериментов, в которых участвовала катушка, подключенная к гальванометру. Дальше мы опишем опыт Фарадея.
Эксперименты Ампера
Такие же опыты повторял и Ампер. Правда, гальванометры, которыми пользовались оба ученых, были не такими, как у нас. Это были очень чувствительные к вибрациям приборы, поэтому их устанавливали в отдельной комнате. Ампер задвигал в катушку магнит и уходил в соседнюю комнату. Когда он шел, то не видел, что происходит с гальванометром, как прибор реагирует. Затем он вставлял магнит, возвращался в комнату с устройством, а стрелка показывала на отметку ноль. Ампер шел в лабораторию и вытаскивал магнит из катушки. Возвращался к гальванометру — стрелка опять показывала на ноль, физику никак не удавалось «поймать» индукцию проводника. Ампер разочаровывался снова и снова.
Почему Фарадею удалось сделать открытие
У Фарадея был помощник по фамилии Андерсон. Сорок лет он ассистировал Фарадею в лаборатории. Они работали вдвоем: Андерсон в одной комнате смотрел за показаниями гальванометра, а Фарадей в другой брал катушку и вставлял в нее магнит. Совершая это действие, Фарадей услышал через открытые двери слова Андерсона о том, что стрелка отклонилась. Когда он вынул магнит, то помощник сообщил, что стрелка отклонилась в другую сторону.
Затем Фарадей поменял полярность магнита и вставил его в катушку другим полюсом. Андерсон сказал, что стрелка гальванометра отклонилась в ту же сторону, что и в последний раз. Позже Фарадей объяснял это явление изменением вектора индукции. При вытаскивании магнита из катушки стрелка отклонилась в ту же сторону, что и в первый раз. Фарадей и Андерсон увидели, что движение магнита в катушке порождает в ней электрический ток.
Проведение опыта
Чтобы изучить индукцию, проведем опыт с постоянным магнитом. Подключим катушку к гальванометру. Не обязательно вводить магнит внутрь, как это делал Фарадей, можно вставить в нее железный сердечник. Стрелка при этом не отклоняется, но поскольку железо усиливает поле, то большой магнит можно двигать даже вдали от катушки. Стрелка гальванометра будет отклоняться все равно. Значит, движение магнита возле или внутри катушки порождает в ней электрический ток.
Замена магнита
Фарадей решил провести опыт с электромагнитом. Чтобы понять, что такое индукция, мы повторим тест ученого. Возьмем катушку (буква А на рисунке), на которую намотан провод. Чтобы он создавал поле, подключим его к источнику тока и включим. Видим, что сила тока около 1-1,5 ампера. По катушке течет ток, поэтому она превратилась в электромагнит. Вставляем, а затем вынимаем меньшую катушку из большей (буква В на рисунке), и видим, что стрелка гальванометра (прибор на рисунке обозначен буквой G) реагирует.
Индукционный ток
Фарадей задумался, в чем же причина — в самом движении или в том, что когда магнит движется, то меняется магнитная индукция однородного поля внутри катушки. Может быть, дело совсем не в движении, а в изменении магнитного поля? Как это проверить? Нужно сделать так, чтобы поле менялось, а движения никакого не происходило. Для этого можно увеличивать или уменьшать силу тока.
Устройство для изменения силы тока в цепи — это реостат. Подключим его последовательно к электромагниту. Ток от источника пойдет сначала через реостат, второй вывод прибора подключим к катушке, а второй вывод последней — к источнику тока. Теперь можно регулировать силу тока. Вставляем электромагнит — ток течет, стрелка гальванометра реагирует. Так происходит из-за движения магнита или изменения электромагнитного поля? Проверим. Изменим силу тока. Увидим, что когда она меняется, то же происходит и с магнитным полем в катушке. В результате возникает ток во второй катушке. Он называется индукционным.
Что такое индукция
Если выключить источник тока или включить его, то гальванометр на короткое время дает какие-то показания. Когда это заметил Фарадей, ему стало понятно, что именно изменения магнитного поля в катушке создают в ней электрический ток.
Явление электромагнитной индукции поля, открытое Фарадеем, состоит в том, что при изменении магнитного поля в замкнутом контуре (в нашем случае это катушка) в нем возникает электрический ток.
Электромагнитную индукцию можно наблюдать и в таком случае. Возьмем большой магнит, приблизим, а затем удалим его от катушки. При этом возникает индукционный ток. Но можно поступить и по-другому. Катушку, не приближая и не удаляя, просто вращать в магнитном поле. Увидим, что возникает индукция, направление которой меняется. При этом изменяется количество линий магнитного поля, пронизывающих катушку.
Почему возникает ток
Когда в какой-то точке пространства, например, внутри катушки, меняется поле и количество линий магнитной индукции, тут же возникает электрическое поле. Изменяющееся магнитное поле порождает электрическое. Провод, который намотан на катушку, оказывается в электрическом поле, и оно заставляет электроны внутри провода двигаться. А что если электромагнит неподвижен, а катушка движется навстречу ему? Происходит то же самое. Получается, что магнитное поле вокруг электромагнита постоянно.
А ЧТО ВЫ ДУМАЕТЕ ОБ ЭТОМ?