Текст книги "Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция"
Автор книги: авторов Коллектив
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 8 страниц)
Одержимый научной работой, он попросил у жены разрешения вместо свадебного путешествия посвятить время, которое они должны были провести вместе, написанию статьи по истории электричества и магнетизма. Его жена, терпеливая и хозяйственная, как все женщины в общине сандеманианцев, не возражала против этой необычной просьбы.
Тогда Фарадей принялся читать все книги из библиотеки Королевского института об электричестве и магнетизме, воспроизводя описанные в них эксперименты. К концу августа 1821 года он провел уже более сотни опытов, но один никак не выходил из его головы, даже когда статья была уже сдана в Annals of Philosophy. Это был эксперимент Ханса Кристиана Эрстеда, проведенный в 1819 году и ставший первым в истории опытом по электромагнетизму.
* * *
Первый эксперимент по электромагнетизму
Ханс Кристиан Эрстед родился в Дании в 1777 году, изучал физику в Копенгагенском университете, ему принадлежит первое эмпирическое доказательство взаимосвязи магнетизма и электричества. Об этом открытии стало известно в 1820 году, что ознаменовало собой новую научно-техническую революцию, подобную той, которую вызвало изобретение паровой машины. Первые опыты были проведены Эрстедом в 1819 году во время практического объяснения на занятии: он приближал намагниченную стрелку к проволоке, по которой проходил электрический ток. Стрелка разворачивалась перпендикулярно проволоке. При изменении направления тока стрелка поворачивалась на 180°, сохраняя перпендикулярность по отношению к проволоке.
Ханс Кристиан Эрстед
ПРЕВРАТИТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В ДВИЖЕНИЕ
Фарадей заметил в опытах Эрстеда одну маленькую деталь, которая, как казалось, содержала ключ к пониманию проблемы.
Он догадался, что магнетизм электрического тока всегда отклоняет стрелку компаса в одну сторону. Например, если положить компас на стол, а электрический ток будет проходить от пола к потолку, стрелка компаса всегда будет вращаться против часовой стрелки и никогда – по часовой. Фарадей был не просто великим экспериментатором: он уделял большое внимание незначительным деталям, а не великим следствиям – возможно, эта привычка к скрупулезности была приобретена за годы работы переплетчиком. Как бы то ни было, ученый непрестанно думал об этой детали: почему стрелка компаса в опыте Эрстеда при определенном направлении тока всегда поворачивается только в одну сторону?
Тогда в голове Фарадея созрел образ, который помог ему сформулировать гипотезу, объясняющую это явление. Он представил себе, что как поток теплого воздуха иногда превращается в вихрь, так и восходящий электрический ток создает спиральные магнитные потоки, вызывающие отклонение стрелки компаса. Для проверки своей догадки Фарадей разработал эксперимент, который показал бы, что магнитные вихри могут двигать любой намагниченный предмет, а не только стрелку, как у Эрстеда.
Через несколько недель Фарадей достиг своей цели. В начале сентября он опустил в сосуд с ртутью намагниченный на одном конце стержень: он плавал вертикально, как маленький поплавок. Затем ученый вертикально поместил в сосуд проволоку, по которой сверху вниз шел электрический ток. Намагниченный поплавок начал двигаться вокруг проволоки против часовой стрелки, как будто влекомый невидимым вихрем (см. схему). Таким образом, его догадки подтверждались, а кроме того, в результате получился первый в мире примитивный электрический двигатель. Фарадей превратил электричество в движение, которое могло выполнять работу. Произошло это 3 сентября 1821 года.
Описание эксперимента Фарадея было опубликовано в октябре 1821 года в Quarterly Journal of Science под ничем не примечательным заголовком, принимая во внимание следствия, которые повлекло за собой это открытие:
«О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма». Статья стала очень популярной и была переведена на более чем десяток языков.
Первый электрический двигатель, созданный Фарадеем в 1821 году.
Довольно скоро ученые всего мира повторяли эксперимент скромного сына кузнеца, поднявшегося до высоты Эрстеда, Ампера, Aparo и других знаменитых экспериментаторов.
МЕРТВАЯ ТОЧКА
Казалось, что Фарадею предназначено судьбой стать революционером в области электромагнетизма. Ему даже удалось избавиться от ограничений брака и полностью посвятить себя науке, но на пути ученого возникло новое препятствие. Разочарование пришло со стороны, откуда Фарадей его ожидал меньше всего, – от наставника и покровителя Гемфри Дэви. По-видимому, за несколько дней до публикации статьи, прославившей Фарадея на весь мир, Дэви в приступе ревности распустил слухи, что идея изобретения электрического двигателя была украдена у одного из членов правления Королевского института, Уильяма Хайда Волластона.
Фарадей сразу же захотел опровергнуть слухи и договорился с Волластоном о встрече, чтобы тот мог осмотреть его оборудование, использованное для эксперимента. Волластон вынужден был признать, что хотя его собственное оборудование было схожим, Фарадей не совершал плагиата: просто обоих ученых озарила одна и та же идея с разницей в несколько дней. В конце концов Волластон сдался перед скромностью и простотой, с которой защищал себя Фарадей, и публично оказал коллеге поддержку. Скромный Фарадей отказывался даже подумать, что распустить слухи мог Дэви, хотя в то же время он чувствовал себя крайне смущенным из-за того, что его покровитель не выразил ему своей поддержки в этом инциденте.
Подозрения подтвердились через два года: после того как Фарадей открыл способ сжижения хлора, он позволил Дэви прочесть его статью до публикации. Дэви не только внес свои исправления, но и изменил работу таким образом, что можно было подумать, будто идеи открытия принадлежали ему. Последние 20 лет Дэви сам пытался найти способ сжижения хлора, и он не хотел, чтобы открытие полностью принадлежало его молодому ученику. Фарадей, частично желая избежать нового скандала, подобного тому, который произошел с Волластоном, частично из-за своей сандеманианской скромности, решил уступить наставнику:
«Хотя я и сожалел, что теряю свои исследования, но я слишком многим был обязан ему за его любезность со мной в прошлом, для того чтобы говорить, что это было моим, в то время как он говорил, что это было его».
Несмотря на все препятствия, карьера Фарадея продолжала развиваться, и он поднялся до вершин, о которых не мог и мечтать: через два месяца он стал кандидатом в члены Королевского общества, старейшего научного общества Соединенного Королевства и одного из старейших в Европе. И снова Дэви поддался чувству ревности к своему ученику и не только не поддержал его кандидатуру, но начал активную кампанию против Фарадея, вытащив старую историю о «плагиате» у Волластона. Для того чтобы очистить свое имя от подозрений, Фарадей опубликовал статью с описанием всех событий, связанных с открытием электродвигателя, и снова получил поддержку Волластона. После этого Дэви прекратил свои нападки. В итоге 8 июля 1824 года Майкл Фарадей практически единогласно был избран членом Королевского общества. Единственный голос против, несмотря на секретность выборов, небезосновательно приписывают Дэви.
В 1825 году Фарадей стал директором Королевского института. Но эти повышения никак не способствовали его работе в области электромагнетизма. Отсутствие новых открытий было связано с нехваткой времени: Дэви решил нагрузить Фарадея рутинной работой, чтобы тот не имел возможности проявить свои прекрасные способности. Например, он попросил Фарадея заняться совершенствованием качества стекла для телескопов и других оптических инструментов. Вместе с астрономом Джоном Гершелем (1792–1871) из Кембриджа и создателем оптических приборов Джорджем Долландом (1774–1852) Фарадей изучал образцы стекла, которые должны были быть отшлифованы в форме линзы.
Книга природы написана перстом Бога.
Майкл Фарадей
Так как он с трудом продвигался в новой области, то попросил Королевское общество и Королевский институт построить ему печь, чтобы самому заняться выплавкой стекла. Два года Фарадей напряженно трудился, отойдя от собственных исследований, но не высказывая никаких жалоб. Кроме того, новая работа помогла ему углубить знания в областях, на которые в другой ситуации он бы не обратил внимания. Например, Фарадей изготовил образцы стекла, которые в 1845 году помогли ему открыть магнитооптический эффект.
Ученый освободился от ревности Дэви совершенно неожиданно: его покровитель умер 29 мая 1829 года. Теперь он мог, не отвлекаясь, заняться электромагнетизмом.
Всего за 12 лет, попав в Королевский институт как простой помощник в лаборатории, Фарадей достиг ослепительных высот, недоступных никакому другому ученому в этом учреждении. Но Фарадей совершенно не был тщеславен и продолжал упорно работать над вопросами, возникшими у него после открытия электродвигателя. Например, если электричество порождает магнетизм, возможно ли, чтобы и магнетизм создавал электричество? Этим вопросом задавались многие другие ученые той эпохи, но никто, даже Эрстед, не мог найти ответ.
Фарадей был настолько одержим задачей, что принял решение посвятить себя исключительно связанным с ней исследованиям, и это пробивало ощутимую брешь в его бюджете. Большая часть доходов ученого, позволявших ему содержать семью, была связана с работой технического консультанта. Но так же как в юности Фарадей отказался от работы переплетчиком ради того, чтобы стать простым помощником Дэви, сейчас он снизил свои доходы (по примерным подсчетам, на две трети), чтобы понять, как Создатель предписал функционировать природе.
ПРЕВРАТИТЬ МАГНЕТИЗМ В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Однажды, когда Фарадей, погруженный в размышления о религии, плыл на маленькой лодке по озеру в Швейцарии, на него снизошло озарение. Перед ним на фоне водопада появилась радуга. Это было почти мистическое явление, которое развеялось с первым порывом ветра, разогнавшим водяную взвесь. Но затем ветер подул в другую сторону, и радуга появилась вновь. Фарадей долго смотрел, как радуга то появлялась, то исчезала, покорная капризам ветра. Он понял, что на самом деле радуга никуда не исчезала, даже когда ее место оставалось пустым. Получалось, что пустота могла что-то содержать в себе, в том числе и пустота, описанная в уравнениях Ньютона, которые так поддерживали все члены Королевского института. Как мы уже говорили, буквальное прочтение Библии сандеманианцем Фарадеем повлияло на его взгляды. Пустота на самом деле не была пустотой. Вещи связаны невидимой паутиной.
В течение 1830 года и наиболее интенсивно – в 1831-м Фарадей добросовестно пытался найти доказательства для своих догадок. Он был настолько одержим идеей, что находил все больше свидетельств существования невидимой матрицы. Словно сам Бог вел ученого по правильному пути. Вера Фарадея в собственную концепцию пустоты была непоколебима, и он пристально рассматривал мир вокруг себя в поисках следов Создателя.
Возможно, было и другое объяснение, подстегивавшее жажду Фарадея к открытиям. Несмотря на то что он отказывался от званий и наград, многие считали его мыслителем второго сорта, и это мнение стало достоянием общественности. И в самом деле, у Фарадея не было академических исследований, он был профаном в математике и к 39 годам не сделал ни одного существенного открытия, несмотря на покровительство Гемфри Дэви. По этой причине Фарадей с головой погрузился в исследования, оставив преподавательскую деятельность и все раньше приходя в свою холодную лабораторию в подвале Королевского института. Даже две племянницы, иногда заходившие навестить его, знали, что пока дядя работает, они должны тихо играть в куклы.
* * *
Джозеф Генри, американский коллега Фарадея
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.
ПЕРВЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
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.
ОБОБЩЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
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:
ε = -dΦ/dt
где ε – индуцированная ЭДС, Φ – магнитный поток, t – время, d/dt – производная по отношению к времени». Знак «-»был добавлен Генрихом Ленцем, так как направления ЭДС и тока стремятся к противоположности по отношению к получаемому изменению. Из-за этого в некоторых текстах закон Фарадея носит более сложное название – закон Ленца – Фарадея или даже Ленца – Фарадея – Генри.
* * *
Для второй категории опытов Фарадей использовал магнит и катушку, соединенную с гальванометром. Он быстро помещал магнит в катушку и мог наблюдать отклонение стрелки; если магнит внутри катушки не двигался, стрелка возвращалась в начальное положение. При вынимании магнита стрелка снова двигалась, только в обратном направлении. При повторении процесса стрелка колебалась в одну и другую сторону, при этом ее перемещения были тем значительнее, чем более быстрым было движение, вводящее и вынимающее магнит из катушки (рисунок 2). Tе же результаты наблюдались, когда магнит был неподвижным в катушке, а сама катушка двигалась.
Без сомнений, концепция поля облегчила Фарадею дальнейшие открытия. Она объясняет взаимодействие двух тел, не находящихся в физическом контакте: поле – участок пространства, к которому относятся величины, зависящие от напряжения тела, вступившего во взаимодействие. Таким образом, могут существовать, например, электрические поля (со статическими зарядами) и магнитные поля (с естественными магнитами или движущимися зарядами).
Электрическое поле определяется как участок пространства, которое может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела. Силовое воздействие происходит вследствие наличия в поле как минимум одного другого заряженного тела. Величина, используемая для характеристики напряженности этого поля, – интенсивность электрического поля. Присутствие электрического поля в том или ином месте можно обозначать с помощью силовых линий, или линий поля (рисунок 3). Эти линии имеют определенные свойства: если они расположены близко друг к другу, это говорит об интенсивности поля, и наоборот; линии изображаются исходящими от положительных зарядов и входящими в отрицательные. Количество линий, изображенных исходящими от положительного заряда и входящими в отрицательный, пропорционально абсолютной величине заряда; две линии не могут сходиться в точке, где нет заряда; кроме того, линии не могут быть замкнутыми.
На первый взгляд не существует связи между магнитными и электрическими полями, за исключением того, что одинаковые заряды отталкиваются, а разные – притягиваются (в электрических полях), и одинаковые поля отталкиваются, а разные – притягиваются (в магнитных полях). В магнитных полях механизм притяжения и отталкивания аналогичен механизму в электрических полях. Однако создание батарейки показало, что возможно с помощью проводника соединить два противоположных электрических поля. В этом случае вокруг проводника можно наблюдать магнитное поле.
* * *
Магнитное поле
Если мы приблизим друг к другу два магнита противоположными полюсами, они будут притягиваться, если одинаковыми полюсами – отталкиваться. Фарадей объяснял данное явление тем, что от полюсов магнитов отходят линии: он называл их силовыми, а сегодня их называют линиями магнитного поля. Эти линии начинаются у одного полюса и заканчиваются на противоположном полюсе одного и того же или ближайшего магнита. На всей протяженности этих линий, которые Фарадей представлял невидимыми канатами в пространстве, окружающем магнит, присутствует сила натяжения, которая и отвечает за притягивание одного магнита к другому. Это пространство Фарадей назвал магнитным полем. Таким образом, явление, когда магнит воздействует на расстоянии на металлический объект, можно интерпретировать следующим образом: магнит создает вокруг себя силовые поля, которые мы называем магнитным полем.
Легко увидеть
Термин «поле» был введен Фарадеем, он хотел поместить между полюсами магнита человека, но независимо от его присутствия или отсутствия свойства поля сохранялись. Хотя еще в XVII веке философ-иезуит Никколо Kaбео писал о силовых линиях, современное понятие также относится к Фарадею и его термину «поле». Чтобы увидеть эти линии, можно рассыпать вокруг магнита железные опилки: они займут место в соответствии с магнитным полем, делая видимым расположение его линий.
Слева – линии магнитного поля между взаимно притягивающимися магнитами, справа – между взаимно отталкивающимися.
ПЕРВЫЕ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ
Фарадей продолжал методично изучать имевшиеся в его эпоху научные догадки и шаг за шагом подтверждал свои новые идеи.
После того как ему удалось доказать, что электричество может индуцироваться магнетизмом, следующим шагом была попытка создать электричество в продолжительных промежутках времени, а не мгновенно. Для этого Фарадей изменил опыт Франсуа Aparo (1786–1853), доказавшего, что при вращении медного колеса можно отклонить подвешенную над ним магнитную стрелку. При вращении колеса силовые магнитные линии пересекались, и таким образом создавались электрические токи. Из-за этих токов возникало магнитное поле, заставлявшее отклоняться магнитную стрелку. Но Фарадей не надеялся получить магнитное поле из электрического тока, он хотел, чтобы магнитное поле создавало электрический ток.
Линии поля, соответствующие электрическим полям, созданным противоположными зарядами (a), зарядами с одним знаком (b) и двумя разными зарядами с разной абсолютной величиной (c)
Таким образом, ученый создал униполярный генератор – электродвигатель, основанный на силе Лоренца (сила, с которой электромагнитное поле действует на точечный электрический заряд, при его прохождении по полю), – для превращения электрической энергии в движение. Устройство называется униполярным, так как не требует изменения полярности для вращения; оно обладает магнитным полем с единым направленным потоком. Для создания такого генератора Фарадей использовал медный диск, вращавшийся между полюсами магнита в форме подковы, – так был создан источник слабого постоянного тока. При вращении колеса его край проходил между полюсами магнита. Два токосъемника обеспечивали контакт при скольжении: один на краю диска, другой – на оси. Оба полюса были подсоединены к гальванометру для замыкания цепи. Пока колесо вращалось, согласно показаниям гальванометра, вырабатывался постоянный электрический ток. Этот ток мог использоваться для выполнения работы. Так Фарадей создал первый электрический генератор. Это произошло 28 октября 1831 года.
Направление электрического поля в каждой точке диска перпендикулярно плоскости вращения диска и магнитному полю, поэтому электрическое поле перемещается из центра диска к его наружному краю, радиальные движения электронов диска вызывают разницу потенциалов между центром и краем диска. Этот примитивный вид динамо-машины основывается на том же принципе, который используется и сейчас: например, в динамо-машинах на некоторых велосипедах благодаря ему зажигается фара, за исключением случаев, когда магнит вращается вокруг закрученного провода.
Изменение магнитного потока может быть вызвано механическими движениями магнита и изменениями тока в другом контуре. Было известно со времени эксперимента Эрстеда, что ток другого контура создает магнитное поле. Если ток меняется, то меняется и поле, и магнитный поток второго контура.
* * *
Понятие магнитного потока
Идея о том, как изображать воздействие магнита или электрического тока в окружающем их пространстве с помощью силовых линий, принадлежит Фарадею. С помощью таких изображений, по всей видимости связанных с религиозными представлениями ученого. Фарадей компенсировал свою слабую математическую подготовку. Если мы будем с помощью железных опилок рассматривать магнитное поле, созданное прямым магнитом, то увидим, что на полюсах силовые линии расположены ближе друг к другу, а при удалении от полюсов линии разделяются.
На рисунке 1 поток линий поля B, пересекающих поверхность S, заключенную в спираль, максимален. При этом на рисунке 2 мы видим, что поток линий поля B, пересекающих поверхность, нулевой.
Принимая во внимание, что интенсивность магнитного поля В уменьшается по мере удаленности от полюсов, можно установить соотношение между этими двумя фактами, подтвердив, что интенсивность поля В прямо пропорциональна количеству силовых линий, проходящих по поверхности. Чем ближе друг к другу расположены линии, тем более интенсивным будет поле в данной зоне. Количество силовых линий поля В, проходящих по поверхности, зависит от того, как ориентирована эта поверхность по отношению к направлению линий. Таким образом, для определенной совокупности силовых линий количество точек пересечения с поверхностью будет максимальным при перпендикулярной ориентации (рисунок I) и нулевым – при параллельной ориентации (рисунок 2). Количество силовых линий поля В, перпендикулярно пересекающих поверхность, выражает величину интенсивности данного поля. Так, величине, названной магнитный потоп и обозначаемой буквой Ф, мы можем дать следующее определение: если у нас есть некая плоская поверхность S и перпендикулярное ей магнитное поле В с одинаковой величиной во всех точках, потоком магнитного поля этой поверхности мы назовем выражение Φ = B∙S. Необходимо помнить, что магнитный поток связан с количеством силовых линий (или полем), которые пересекают поверхность. Изменение потока с помощью контура индуцирует электрический ток на данный контур. Когда это изменение происходите некоторой периодичностью, индуцируемый ток также периодически меняет направление.
* * *
Позднее на основе принципов Фарадея Ипполит Пикси (1808–1835), французский механик и производитель инструментов, создал первую динамо-машину в Париже в 1832 году. Эта было так называемое динамо Пикси, ставшее первым электрогенератором для промышленного использования. В аппарате был использован магнит, вращавшийся с помощью рукоятки. Северный и южный полюса магнита были соединены железным фрагментом, вокруг которого была навита проволока (см. рисунок). Пикси заметил, что магнит передает импульс электрического тока на кабель, когда один из полюсов проходит мимо катушки; каждый полюс индуцировал ток в обратном направлении, то есть возникал переменный ток.
