Читать онлайн «Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция». Страница 13

Джозеф Генри родился в 1797 году в Олбани в очень бедной семье. В 13 лет он начал работать учеником часовщика. Знание часовых механизмов помогло ему впоследствии создавать собственные инструменты. Так же как и Фарадей, он был самоучкой.

В 1826 году Генри получил место преподавателя математики и натурфилософии; одновременно он, как и Фарадей, занимался экспериментами по электромагнитной индукции.

В 1832 году Принстонский университет предложил ему место профессора, несмотря на отсутствие у Генри официальных академических званий. Но репутация шла впереди исследователя: уже в 1830 году он создал самый мощный электромагнит той эпохи, с помощью которого можно было поднимать грузы до 1000 кг. До этих пор мало кто мог поверить, что магнетизм способен на такую мощь. Как правило, у электромагнитов есть стержень из мягкого железа, которое намагничивается при пропускании тока через обмотку ядра; при остановке тока магнитное поле исчезает. Электромагнит Генри, который он использовал на занятиях, имел форму подковы с многослойной обмоткой и был достаточно небольших размеров, примерно 12 дюймов в высоту.

Открытие самоиндукции

Хотя Фарадей и Генри ставили свои опыты в одно время, Фарадей первым опубликовал результаты. В любом случае, за Генри признается открытие самоиндукции: он подключал к батарее смотанный в катушку провод, при этом наблюдалась искра; при отключении искра была более сильной. Генри сделал вывод, что провод был заряжен и при отключении реагировал сам на себя. Дело в том, что при прохождении тока по контуру вокруг образуется магнитное поле, но если ток изменяется, измененное магнитное поле дает временное изменение магнитного потока на контур. Генри понял это, потому что при подключении и отключении контура интенсивность тока в короткие интервалы времени резко менялась. Благодаря этому открытию в честь Генри Джозефа коэффициент самоиндукции измеряется в генри. Также ученый помогал Сэмюэлю Морзе и Грэхему Беллу в их разработках телеграфа и телефона соответственно.

В августе 1831 года Фарадею пришло в голову расположить две обмотки на противоположных сторонах железного кольца, что представляло собой примитивный вариант трансформатора. Изобретение напоминало две половины железной баранки, стороны которой были обмотаны длинным куском проволоки. Половины ученый расположил друг напротив друга. Фарадей пропустил ток по проводу одного полукольца 29 августа 1831 года.

Чтобы углубиться в технические детали данного варианта трансформатора, использованного для получения электромагнитной индукции, можно изучить «Дневник» Фарадея, опубликованный Королевским институтом в 1932 году. В нем сказано, что было использовано кольцо из мягкого металла с внешним диаметром, равным шести дюймам, с обмотками из проволоки, спирали которой были разделены индийским хлопком. Затем Фарадей зарядил батарею из десяти пар пластин по четыре квадратных дюйма.

Ученый догадывался, что это произведет завихрения на первом полукольце, что-то вроде магнитной бури. А если на втором полукольце возникнет электрический ток, будет подтверждено, что магнетизм может создавать электричество. Использование стрежня из мягкого металла должно было усилить магнитное поле первого полукольца. Этот эксперимент был не очень сложным, и Фарадей решил, что другие ученые не обнаруживали описанного явления, потому что величина электрического тока была слишком маленькой, практически незаметной. По этой причине он разместил на проволоке второго полукольца чувствительное устройство для измерения тока, способное отмечать даже небольшие колебания, — гальванометр, основанный на движущей силе электричества, описанной Фарадеем в 1821 году.

Наконец, ученый пропустил электрический ток через проволоку первого полукольца, подключив ее к батарейке, и увидел, как стрелка гальванометра, измерявшего ток на втором полукольце, дрогнула. Фарадей испытал такую же надежду, как в юности, когда он мечтал найти следы Создателя в мире и решил глубже проникнуть в тайну электричества, заставлявшего шевелиться мертвых лягушек. Увиденное ошеломило ученого, и за эти несколько секунд он осознал масштаб своего открытия и то, как оно может изменить мир.

Фарадей, как всегда, очень скрупулезно подошел к своему открытию, он всю ночь подключал и отключал ток на металлическом кольце, чтобы удостовериться в постоянстве результатов. Он понял, что измерительное устройство улавливало электрический ток, когда интенсивность тока, проходящего по первому полукольцу, увеличивалась или уменьшалась, в момент когда контур замыкался или размыкался. И напротив, если ток был постоянным, ничего не происходило, и это объясняло, почему никто раньше не заметил данное явление: колебание стрелки было мгновенным и прекращалось при стабилизации электрического тока.

Фарадей открыл явление, связывавшее механическое движение и магнетизм с появлением электрического тока, — электромагнитную индукцию. Это явление было обратно тому, которое открыл Эрстед.

Тогда уже было известно, что статическое электричество обладает силой индукции, то есть электрически заряженное тело может передать заряд другому телу при приближении, заряд индуцируется от первого тела ко второму. Однако никто еще не смог доказать, что электрический ток ведет себя аналогично, то есть индуцирует электричество на ближайший контур. Фарадей смог доказать эту теорию, но совершенно неожиданным образом: индукция проявлялась не только при течении индукционного тока, но и при его изменении. 

За несколько дней до своего 40-летия Фарадей отправил записку одному из своих лучших друзей, Ричарду Филлипсу:

«23 сентября 1831

Дорогой Филлипс,

[…] я сильно занят, снова работаю над электромагнетизмом, думаю, что у меня получилось нечто замечательное, но не могу еще утверждать это. Очень может быть, что после всех моих трудов я в конце концов вытащу водоросли вместо рыбы [...]» 

Благодаря систематическим экспериментам Фарадей рассмотрел все виды индукции. Он доказал, что существует несколько способов индуцировать ток на провод: подключая и отключая ток на соседнем кабеле; приближая и удаляя проволоку, по которой проходит стационарный ток; приближая и удаляя магнит и кабель; вращая магнит рядом с кабелем или кабель рядом с магнитом и так далее (см. схему).

Если магнит вводить в витки свернутого кабеля и вынимать из них, эффект тем сильнее, чем более мощный магнит, чем больше зона, ограниченная кабелем, чем быстрее вводится и вынимается магнит. В случае если ток индуцируется с одного кабеля на другой, эффект усиливается при более сильном индуцирующем токе и при большей скорости его изменения.

Все явления электромагнитной индукции резюмированы Фарадеем в простом законе, связывающем индукционный ток с силовыми магнитными линиями вокруг кабеля. Закон Фарадея гласит, что величина индуцированной на кабель электродвижущей силы, или способности заряда к движению, тем больше, чем больше изменение магнитного потока, проходящего через контур, то есть количество линий поля, проходящих через кабель. Иными словами, создание электрического тока — динамический процесс, требующий изменения интенсивности тока или положения магнита.

Шел октябрь 1831 года, то есть прошло всего несколько месяцев, как Фарадей решил направить все свои силы на понимание электромагнетизма.

Разные формы электромагнитной индукции. В трех представленных случаях проволока замыкается на гальванометр: a) если мы приближаем магнит к кабелю и удаляем от него, в кабеле появляется ток; b) если к кабелю подключается или отключается ток, он индуцируется на соседний кабель; с) если магнит вращать вокруг кабеля, в нем появляется ток.

Обобщая, мы можем разделить эксперименты, которые привели Фарадея к открытию электромагнитной индукции, на две категории: с токами и с магнитами.

Для опытов первой категории Фарадей подготовил два соленоида (цилиндрические обмотки из провода), расположенные друг напротив друга и изолированные между собой. Один из них он соединил с батарейкой, другой — с гальванометром. После переключения выключателя в первом контуре можно было наблюдать перемещение стрелки гальванометра во втором, при этом через несколько мгновений стрелка возвращалась обратно на ноль. Гальванометр обнаруживал ток, со временем исчезающий, только при переключении выключателя (рисунок 1).

Два вида экспериментов, которые привели Фарадея к открытию электромагнитной индукции: с электрическими токами (рисунок 1) и с магнитами (рисунок 2). * * * Закон Фарадея

Одна из формулировок закона Фарадея звучит так: «Для любого замкнутого контура индуцированная электродвижущая сила равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур, взятого со знаком минус: