Роботи Майкла Фарадея

Маріо Льоцци

ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ

Те, що всі фізичні явища являють собою лише різні прояви однієї і тієї ж сутності, або, кажучи словами Анджело Секкі (1818-1879), ідея «єдності фізичних сил», було основною філософської передумовою фізики минулого століття. Систематичне застосування цього принципу ми постійно знаходимо в роботах одного з найбільш проникливих дослідників всіх часів - Майкла Фарадея (1791-1867). Який зв'язок між електрикою і магнетизмом? Чи можна перетворити одне в інше? Ці питання ставив перед собою Фарадей, починаючи в 1822 р свої експериментальні дослідження і знову безуспішно повертаючись до них в 1825 р

Експерименти, поставлені після відкриття Ерстеда, показали, що електричний струм сильно змінює намагніченість магніту. У зв'язку з цим Фарадей очікував, що і магніт повинен впливати на силу струму. Зрештою, в 1831 Фарадей зробив свою саме велике відкриття - явище електромагнітної індукції. Найбільш наочний прояв електромагнітної індукції було отримано Фарадеєм за допомогою нехитрого приладу. На залізне кільце намотувалися дві окремі спіралі, з яких одна поєднувалася з батареєю, а інша - з гальванометром. При замиканні першого ланцюга спостерігалося різке відхилення стрілки гальванометра, при розмиканні ланцюга спостерігалося відхилення протилежного знака. Цей важливий досвід, всіляко видозмінюються, дозволив Фарадею «отримати електрику з магнетизму» найпростішим, зараз добре відомим способом: достатньо вводити магніт в спіральний провідник, з'єднаний з гальванометром, щоб отримати відхилення стрілки в одну сторону; при виведенні магніту з спіралі стрілка відхиляється в протилежну сторону.

У 1824 р Араго зауважив, що масивний мідний корпус досить сильно уповільнює коливання стрілки компаса. Це спостереження наштовхнуло його на думку поставити свій знаменитий досвід, в ході якого виявилося відхилення магнітної стрілки при обертанні мідного диска, розташованого над або під нею. Придумані для пояснення цього явища теорії були настільки штучні, що для більшості вчених досвід Араго так і залишився загадкою. Після відкриття явища електромагнітної індукції Фарадей подумав, що виявлене Араго явище може також пояснюватися появою індуктивних струмів в диску. Щоб переконатися в цьому, Фарадей став обертати мідний диск між полюсами магніту, приєднавши кінці ланцюга гальванометра один до осі, а інший до краю диска. При обертанні диска гальванометр вказував на наявність струму постійного напрямку, величина якого мінялася залежно від швидкості обертання диска. Цим досвідом Фарадей не тільки встановив нове фізичне явище, але і дав перший зразок генератора електричного струму, відмінного від батареї, т. Е. Дал цим перший поштовх до розвитку потужної сучасної електротехнічної промисловості з її всілякими практичними застосуваннями.

Однак Фарадея не цікавили практичні застосування. Проведений досвід дозволяв виявити якісні закони явища індукції. З цього досвіду Фарадей вивів правило, що дозволяє визначити напрямок струму в прямолінійній провіднику, що рухається перед полюсом магніту. Саме в зв'язку з цим Фарадей вперше говорить про «магнітних кривих»: «Під магнітними кривими я розумію лінії магнітних сил, хоча і перекручені сусідством полюсів; ці лінії вимальовуються залізними тирсою; до них щодо розташовувалися б дуже маленькі магнітні стрілочки ».

Фарадей видозмінював свої досліди самими різними способами: застосовував і ниткоподібним провідники, і дископодібні, обертав то магніт по відношенню до електричного контуру, то контур щодо магніту або землі. В результаті він прийшов до висновку, що електрорушійна сила індукції не залежить від природи провідника, і висунув таку теорію щодо цього явища, в загальних рисах, що залишилася незмінною з 1831 р до наших днів: «Коли через дріт проходить електричний струм, то цей провід під всіх своїх точках оточений магнітними кривими, інтенсивність яких зменшується з відстанню; подумки можна уподібнити їх кілець, розташованим в площинах, перпендикулярних проводу, або, вірніше, що протікає в ньому току. Хоча і відмінні за формою, ці криві є цілком аналогічними тим, які існують між двома зверненими один до одного різнойменними полюсами. Коли другий провід, паралельний тому, який несе струм, наближають до останнього, то він проходить через магнітні криві точно того ж роду, які він перетинав б при своєму переміщенні в деякому напрямку між протилежними полюсами ».

Якщо немає переміщення індукує провідника щодо провідника, в якому індукується струм, то струм не з'являється, тому що тоді силові лінії не перетинаються. Коли индуцирующий провідник віддаляється від другого провідника, силові лінії перетинаються в протилежному напрямку і виникає струм також йде в зворотному напрямку. Якщо обидва провідника нерухомі, то при включенні струму в індукують провіднику відбувається те ж саме, як якщо б магнітні криві рухалися «... з моменту, коли вони починають розвиватися, і аж до того моменту, коли магнітна сила струму досягає максимального значення; вони як би поширюються в сторони від проводу і, отже, виявляються по відношенню до нерухомого, який індукують проводу в тому ж положенні, як якщо б він рухався в протилежному напрямку поперек них або за направленням до несучої ток проводу ».

У цих небагатьох словах полягають дуже важливі і нові думки: перший опис електромагнітного поля, думка про залежність інтенсивності поля від числа магнітних кривих, поширення в часі магнітних збурень.

Дослідженнями в цьому новому напрямку, зазначеному Фарадеєм, зайнялися багато фізиків: Джозеф Генрі (1797-1878), який, як вважають американці, ще до Фарадея відкрив явище індукції, виявив також явище самоіндукції, незалежно від нього відкрите в 1833 р Сальваторе даль Негро (1768-1839), а в наступному році - одночасно Вільям Дженкин і Антуан Масою (1806-1858). Особливо важливими були роботи Генрі (1838 г.) по дослідженню «струмів вищого порядку», т. Е. Струмів, індукованих іншими індукованими струмами. Це явище за рік до того експериментально встановив Маріаніні. Явище це зовсім не так вже само собою зрозуміло, як може здатися сьогодні. Дослідження струмів вищого порядку привели Генрі в 1842 р до висновку, що розряд лейденської банки складається не з одного переходу електрики з одного обкладання на іншу, а з цілої серії швидко затухаючих електричних коливань. До цього ж висновку в 1847 р прийшов Гельмгольц у своїй статті «Про збереження сили».

У 1834 р петербурзький академік Еміль Християнович Ленц (1804-1865) зауважив, що правила Фарадея і нобілі, службовці для визначення напрямку індуктивних струмів, передбачали занадто багато різних випадків, тоді як, з огляду на електродинамічний закон Ампера, їх можна було легко звести до одного -єдиний правилом, застосовуваним у всіх випадках. Виходячи з цього, Ленц сформулював правило, що носить зараз його ім'я.

Франц Нейман (1798-1895) поклав в основу своєї теорії індукції, викладеної в двох чудових роботах 1845 і 1847 рр., Закон Ленца, застосовність закону Ома також до індуктивним струмів і висунутий ним новий принцип, згідно з яким індукція, що виникає в певний момент часу , пропорційна швидкості, з якою пересувається провідник.

На питання, поставлене Ампером, відповідь була знайдена Гауссом, але не був ним опублікований. Взаємодія двох електричних зарядів залежить не тільки від відстані між ними, а й від швидкості, з якою вони переміщаються відносно один одного. Закон же Кулона дійсний тільки для двох нерухомих зарядів. У 1846 р Вільгельм Вебер, розвиваючи ідею свого вчителя, вивів формулу, яка замінює формулу Кулона у випадку двох рухомих зарядів. З цієї формули слід, що взаємодія двох елементів струму підпорядковується закону Ампера, і виводилася вся теорія індукції, цілком узгоджується з теорією Неймана.

Більш оригінальною представлялася теорія Гельмгольца, викладена в уже кілька разів згадуваної нами роботі «Про збереження сили» (1847 р) і доповнена потім Томсоном. Гельмгольц показав, що індукція електричних струмів може бути математично виведена з електромагнітних явищ Ерстеда і електродинамічних явищ Ампера, якщо тільки прийняти принцип збереження енергії.

Але закони Неймана, Вебера, Гельмгольца та аналогічні дослідження Абріа і Генрі, здавалося, містили в собі теоретичні передумови, які не цілком грунтуються на досвіді, тому Ріккардо Фелічі (1819- 1902) поставив перед собою завдання виявити закони електромагнітної індукції, спираючись «тільки на дані досвіду, за допомогою методу, яким користувався Ампер при виведенні формули взаємодії елементів струму ».

Фелічі проводив ретельні експериментальні та теоретичні дослідження в цьому напрямку безперервно з 1851 по 1856 р .; про результати цих досліджень він по ходу робіт час від часу робив повідомлення, і, нарешті, виклав їх у великій роботі, названій «Sulla teoria matematica dell'induzione elettrodinamica» ( «Про математичної теорії електромагнітної індукції»), опублікованій в 1854 і 1857 рр . У цій роботі теоретично розглянуті явища індукції, що спостерігаються при розмиканні первинного ланцюга, при взаємному пересуванні індукованого і індукує струмів, при русі провідника в магнітному полі і при взаємному »рух двох частин одного і того ж електричного контуру. Теорія Фелічі була предметом жвавих суперечок протягом усього XIX століття, але в кінці кінців стало ясно, особливо після роз'яснюють робіт Максвелла, що вона еквівалентна теоріям Неймана і Вебера, але має лише кілька більш емпіричне обгрунтування.