История открытия закона электромагнитной индукции: КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А. Н. ТУПОЛЕВА

К истории открытия явления электромагнитной индукции.

В учебнике физики для IX класса дан краткий экскурс в историю открытия рассматриваемого закона. Обзор целесообразно дополнить. Речь идет о фундаментальном законе природы, и нужно раскрыть все его стороны в процессе становления. Рассказ о процессе поисков закона Фарадеем особенно поучителен, и здесь не нужно- жалеть времени. 
Майкл Фарадей родился в 1791 г. в окрестностях Лондона в семье кузнеца. Отец не имел средств для платы за учебу, и Фарадей в 13 лет был вынужден начать изучение переплетного дела. К счастью, он попал в ученики к владельцу книжного магазина. Любознательный мальчик жадно читал, причем нелегкую литературу. Его привлекали статьи по естественным наукам в Британской энциклопедии, он штудировал «Беседы о химии» Марсе. В 1811 г. Фарадей начал посещать общедоступные лекции по физике известного лондонского педагога Тэтума.
Поворотным в жизни Фарадея был 1812 г. Клиент владельца книжного магазина, член Королевского института Дэнс рекомендовал юноше прослушать лекции знаменитого химика Гэмфрн Дэви. Фарадей последовал доброму совету; он жадно слушал и тщательно конспектировал. По совету того же Дэнса он обработал записи и послал их Дэви, присоединив просьбу о предоставлении возможности исследовательской работы. В 1813 г. Фарадей получил место лаборанта в химической лаборатории Королевского института, которой руководил Дэви.
Вначале Фарадей — химик. Он быстро становится на путь самостоятельного творчества, и самолюбию Дэви приходится часто страдать от успехов ученика. В 1820 г. Фарадей узнает об открытии Эрстеда, и с этих пор его мысли поглощают электричество и магнетизм. Он начинает свои знаменитые экспериментальные исследования, приведшие к преобразованию физического мышления. В 1823 г. Фарадей был избран членом Лондонского Королевского общества, а затем назначен директором физической и химической лабораторий Королевского института. В стенах этих лабораторий были совершены величайшие открытия. Жизнь Фарадея, внешне монотонная, поразительна по творческому напряжению. О нем свидетельствует трехтомный: труд «Экспериментальные исследования по электричеству», в котором отражен шаг за шагом творческий путь гения.
В 1820 г. Фарадей ставит принципиально новую проблему: «превратить магнетизм в электричество». Это было вскоре после открытия магнитного действия токов. В опыте Эрстеда электрический ток действует, на магнит. Поскольку, согласно Фарадею, все силы природы взаимопревращаемы, можно, наоборот, магнитной силой возбудить электрический ток.
Фарадей ожижает газы, производит тонкие химические анализы, открывает новые химические свойства веществ. Но мысль его неотступно занята поставленной проблемой. В 1822 г. он описывает попытку обнаружить «состояние», обусловленное течением тока: «поляризовать луч света от лампы путем отражения и попытаться обнаружить, не окажет ли деполяризующее действие вода, расположенная между полюсами, вольтовой батареи в стеклянном сосуде…» Фарадей надеялся таким образом получить какую-нибудь информацию о свойствах тока. Но опыт не дал ничего. Далее следует 1825 год. Фарадей публикует статью  «Электромагнитный ток (под влиянием магнита)», в которой высказывает следующую мысль. Если ток действует на магнит, то он должен испытывать, противодействие. «По разным соображениям, — пишет Фарадей,— было сделано предположение, что приближение полюса сильного магнита будет уменьшать электрическийток». И он описывает опыт, реализующий эту идею.
В дневнике от 28 ноябряря 1825 г. описан аналогичный опыт. Батарея гальванических элементов соединялась проводом. Параллельно этому проводу располагался другой (провода разделялись двойным слоем бумаги), концы которого присоединялись к гальванометру. Фарадей рассуждал, по-видимому, так. Если ток есть движение электрической жидкости и это движение действует на постоянный магнит — совокупность токов (по гипотезе Ампера), то движущаяся жидкость в одном проводнике должна заставить двигаться неподвижную — в другом, и гальванометр должен зафиксировать ток. «Разные соображения», о которых писал Фарадей при изложении первого опыта, сводились к тому же, только там ожидалась реакция движущегося в проводнике электрического флюида со стороны молекулярных токов постоянного магнита. Но опыты дали отрицательный результат.
Решение пришло в 1831 г., когда Фарадей предположил, что индукция должна возникнуть при и нестационарном процессе. Это была ключевая мысль, приведшая к открытию явления электромагнитной индукции.
Возможно, что к идее изменения тока заставило обратиться сообщение, полученное из Америки. Известие пришло от американского физика Джозефа Генри (1797 — 1878).
В юные годы Генри не проявлял ни исключительных способностей, ни интереса к науке. Вырос он в нищете, был батраком на ферме, актером. Так же, как и Фарадей, он занимайся самообразованием. Учиться начал с 16 лет в академии города Олбани. За семь месяцев он усвоил столько знаний, что получил место учителя в сельской школе. Затем Генри работал у профессора химии Бека в качестве лекционного ассистента. Работу он совмещал с учебой в академии. После окончания курса Генри был назначен инженером и инспектором на канале Эри. Через несколько месяцев он оставил эту выгодную должность, приняв приглашение на должность профессора математики и физики в Олбани. В это время английский изобретатель Вильям Стерджен (1783 — 1850) сообщил о своем изобретении подковообразного магнита, способного поднять стальное тело весом до четырех килограммов.
Генри увлекся электромагнетизмом. Он сразу же нашел способ увеличить подъемную силу до тонны. Достичь этого удалось новым в то время приемом: вместо изоляции тела магнита изолировался провод. Открылся способ создания многослойных обмоток. Еще в 1831 г. Генри показал возможность построения электродвигателя, изобрел электромагнитное реле, и с его помощью демонстрировал передачу электрических сигналов на расстояние, предвосхитив изобретение Морзе (телеграф Морзе появился в 1837 г.).
Подобно Фарадею Генри поставил перед собой задачу получить электрический ток с помощью магнита. Но это была постановка задачи изобретателя. И поиски направлялись голой интуицией. Открытие произошло за несколько лет до опытов Фарадея. Постановка ключевого опыта Генри изображена на рисунке 9. Здесь все так же, как показывается до сих пор. Только гальваническому элементу мы предпочитаем более удобный аккумулятор, а вместо крутильных весов пользуемся гальванометром.
Но Генри не сообщил об этом опыте никому. «Мне следовало напечатать это раньше,— говорил он сокрушенно своим друзьям,— Но у меня было так мало времени! Хотелось свести полученные результаты в какую-то систему»(курсив мой.— В. Д.). И отсутствие регулярного образования и еще более — утилитарно— изобретательский дух американской науки сыграли плохую роль. Генри, конечно, не понял и не почувствовал глубины и важности нового открытия. В противном случае он, конечно, оповестил бы ученый мир о величайшем факте. Умолчав об индукционных опытах, Генри сразу же послал сообщение, когда ему удалось поднять электромагнитом целую тонну.
Именно это сообщение и получил Фарадей. Возможно, оно послужило последним звеном в цепи умозаключений, приведших к ключевой идее. В опыте 1825 г. два провода отделялись бумагой. Индукция должна была быть, но не обнаруживалась вследствие слабости эффекта. Генри показал, что в электромагните эффект резко усиливается при применении многослойной обмотки. Следовательно, индукция должна возрасти, если индуктивное действие будет передаваться по большой длине. В самом деле, магнит — собрание токов. Возбуждение намагничивания в стальном стержне при пропускании тока по обмотке есть индукция тока током. Она усиливается, если путь тока по обмотке становится длиннее.
Такова возможная цепь логических умозаключений Фарадея. Вот полное описание первого успешного опыта: «Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; другие двести три фута такой же проволоки были проложены в виде спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт был везде устранен посредством шнурка. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая — с хорошо заряженной батареей из ста пар пластин в четыре квадратных дюйма с двойными медными пластинками. При замыкании контакта наблюдалось внезапное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобное же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей».
Таков был первый опыт, давший положительный результат после десятилетних поисков. Фарадей устанавливает, что при замыкании и размыкании возникают индукционные токи противоположных направлений. Далее он переходит к изучению влияния железа на индукцию.
«Из круглого брускового, мягкого железа было сварено кольцо; толщина металла была равна семи-восьми дюймам, а наружный диаметр кольца — шести дюймам. На одну часть этого кольца было намотано три спирали, каждая из которых содержала около двадцати четырех футов медной проволоки толщиной в одну двадцатую дюйма. Спирали были изолированы от железа и друг от друга и наложены одна на другую… Ими можно было пользоваться по отдельности и в соединении; эта группа обозначена буквой А (рис. 10). На другую часть кольца было намотано таким же способом около шестидесяти футов такой же медной проволоки в двух кусках, образовавших спираль В, которая имела одинаковое направление со спиралями А, но была отделена от них на каждом конце на протяжении примерно полудюйма голым железом.
Спираль В соединялась медными проводами с гальванометром, помещенным на расстоянии трех футов от кольца. Отдельные спирали А соединялись конец с концом так, что образовали общую спираль, концы которой были соединены с батареей из десяти пар пластин в четыре квадратных дюйма. Гальванометр реагировал немедленно, притом значительно сильнее, чем это наблюдалось выше, при пользовании в десять раз более мощной спиралью без железа».
Наконец, Фарадей производит опыт, с которого до сих пор обычно начинают изложение вопроса об электромагнитной индукции. Это было точное повторение опыта Генри, изображенного на рисунке 9.
Задача, поставленная Фарадеем в 1820 г., была решена: магнетизм был превращен в электричество.
Вначале Фарадей различает индукцию тока от тока (ее он называет «вольта-электрическая индукция» и тока от магнита («магнито-электрическая индукция»). Но затем он показывает, что все случаи подчиняются одной общей закономерности.
Закон электромагнитной индукции охватил и другую группу явлений, которая получила впоследствии название явлений самоиндукции. Фарадей назвал новое явление так: «Индуктивное влияние электрического тока на самого себя».
Вопрос этот возник в связи со следующим фактом, сообщенным Фарадею в 1834 г. Дженкиным. Факт этот заключался в следующем. Две пластины гальванической батареи соединяются проволокой небольшой длины. При этом никакими ухищрениями экспериментатору не удается получить от этой проволоки электрического удара. Но если взять вместо проволоки обмотку электромагнита, то всякий раз при размыкании цепи ощущается удар. Фарадей писал: «Одновременно наблюдается другое, давно известное ученым явление, а именно: в месте разъединения проскакивает яркая электрическая искра» (курсив мой — В. Д.).
Фарадей начал обследование этих фактов и вскоре открыл ряд новых сторон явления. Ему понадобилось немного времени, Чтобы установить «тождественность явлений с явлениями индукции». Опыты, которые до сих пор демонстрируются и в .средней, и в высшей школе при объяснении явления самоиндукции, были поставлены Фарадеем в 1834 г.
Независимо аналогичные опыты были поставлены Дж. Генри, однако, как и опыты по индукции, они своевременно не были опубликованы. Причина та же: Генри не нашел физической концепции, охватывающей разнообразные по форме явления.
Для Фарадея самоиндукция была фактом, осветившим дальнейший путь поисков. Обобщая наблюдения, он приходит к заключениям большого принципиального значения. «Не подлежит сомнению, что ток в одной части провода может действовать путем индукции на другие части того же самого провода, находящиеся рядом… Именно это и создает впечатление, что ток действует на самого себя».
Не зная природы тока, Фарадей тем не менее точно указывает на суть дела: «Когда ток действует путем индукции нарядом с ним расположенное проводящее вещество, то, вероятно, он действует на имеющееся в этом проводящем веществе электричество,— все равно, находится ли последнее в состоянии тока или же оно неподвижно; в первом случае он усиливает или ослабляет ток, смотря по его направлению во втором — создает ток».
Математическое выражение закона электромагнитной индукций дал в 1873 г. Максвелл в «Трактате по электричеству и магнетизму». Только после этого он стал основой количественных расчетов. Так что закон электромагнитной индукции следует называть законом Фарадея—Максвелла.
Методические замечания. Известно, что возбуждение индукционного тока в проводнике, движущемся в постоянном магнитном поле, и в неподвижном проводнике, который находится в переменном магнитном поле, подчиняется одному и тому же закону . Для Фарадея и Максвелла это было очевидно, поскольку они представляли себе линии магнитной индукции как реальные образования в эфире. При включении и выключении тока или изменениях силы тока вокруг проводников, составляющих цепь, линии магнитной индукции перемещаются. При этом они пересекают саму цепь, обусловливая явление самоиндукции. Если около цепи с изменяющимся током находится какой-либо проводник, то линии магнитной индукции, пересекая его, возбуждают ЭДС электромагнитной индукции.
Материализация силовых линий электрического поля и линий магнитной индукции стали достоянием истории. Однако было бы ошибочно придавать силовым линиям лишь формальный характер. Современная физика считает, что силовая линия электрического поля и линия магнитной индукции— это геометрическое место точек, в которых данное поле имеет состояние, отличное от состояния в других точках. Это состояние определяется значениями векторов  и  в этих точках. При изменениях поля векторы  и  изменяются, соответственно изменяется, конфигурация силовых линий. Состояние поля может перемещаться в пространстве со скоростью света. Если проводник находится в поле, состояние которого изменяется, в проводнике возбуждается ЭДС.

Случай, когда поле постоянно, а проводник перемещается в этом поле, не описывается теорией Максвелла. Впервые на это обратил внимание Эйнштейн. Его основополагающая, работа «К электродинамике движущихся тел» как раз и начинается с обсуждения недостаточности теории Максвелла в этом пункте. Явление возбуждения ЭДС в проводнике, движущемся е постоянном магнитном поле, может быть включено в рамки теории электромагнитного поля, если ее дополнить принципом относительности и принципом постоянства скорости света.

Кто открыл явление электромагнитной индукции: когда появился закон, история

Электромагнитная индукция представляет собой явление возникновения электрического тока при изменении магнитного поля во времени или при перемещении материальной среды в магнитном поле. Открытие этого закона стало настоящим прорывом в развитии науки. Однако далеко не каждый знает, кто именно открыл явление электромагнитной индукции. Это сделал Майкл Фарадей еще в августе 1831 года.

Содержание

Что это такое

Под этим термином понимают процесс, при котором ток появляется в проводящем контуре замкнутой конфигурации при изменении пронизывающего его магнитного потока. Электромагнитная индукция наблюдается в таких ситуациях:

• при изменении параметров поля, которые воздействуют на проводник;
• при перемещении материальной среды в магнитном поле.

Такие действия вызывают появление электрического поля и поляризации. Иными словами, в проводнике, который находится в магнитном поле, под воздействием внешней силы возникает электродвижущая сила. Она обозначается как ЭДС.

Принцип действия

Открытие явления электромагнитной индукции стало настоящим прорывом в науке. При этом оно обладает определенными особенностями. Чем быстрее перемещается проводник в магнитном поле, тем выше сила индуцированного тока в контуре.

Еще одной чертой этого направления считается то, чем больше магнитная индукция поля, тем большая разность потенциалов возникает при перемещении проводника в поле. Если же он находится в состоянии покоя, никакого ЭДС не появляется. Это связано с отсутствием изменения линий магнитной индукции, которые пересекают проводник.

История открытия

Для электромагнитной индукции характерна интересная история открытия. Ее связывают с именем британского ученого Майкла Фарадея.

Кто и когда открыл

Закон электромагнитной индукции открыл Майкл Фарадей. Это произошло в августе 1831 года. Исследователь обнаружил электродвижущую силу, возникающую в замкнутом проводниковом контуре. Эта сила считается пропорциональной по отношению к скорости изменения магнитного потока, который пронизывает ограниченную контуром поверхность.

Еще в 1820 году Ганс Христиан Эрстед провел эксперимент, при котором происходило отклонение магнитной стрелки от цепи с электрическим током. Он сделал вывод, что при порождении электрическим током магнетизма само возникновение электричества должно обладать взаимосвязью с ним. Эту теорию поддержал и Фарадей, который много лет проводил эксперименты в этой сфере и сумел открыть электромагнитную индукцию.

Как это произошло

Эксперименты Фарадея по исследованию индукции были направлены на работу с постоянным магнитом и проводником. Исследователь первым установил, что при перемещении проводника в магнитном поле на его концах появляется разность потенциалов. Проводник, который перемещается, начинает пересекать линии магнитного поля. Это приводит к моделированию эффекта его изменения.

Исследователь установил, что положительный и отрицательный знаки разницы потенциалов связаны с направлением движения проводника. Если поднимать его в магнитном поле, разница потенциалов отличается полярностью +-. Если опускать проводник, получается полярность -+.

Такие изменения провоцируют появление переменного тока в замкнутом пространстве. Это значит, что он все время меняет свое направление в противоположную сторону.

Применение явления сегодня

Открытие электромагнитной индукции позволяет работать множеству двигателей и генераторов тока. Они отличаются весьма простым механизмом действия, который базируется на законе электромагнитной индукции. Магнитное поле меняется вследствие передвижения магнита.

При влиянии на магнит, который находится в замкнутом контуре, в цепи возникает электричество. По такому принципу функционирует генераторная установка. В противном случае при пропускании тока от источника по контуру магнит, расположенный в цепи, начнет движение. На него влияет магнитное поле, которое создается электричеством. На таком принципе основывается работа электродвигателей.

Генераторы тока трансформируют механическую энергию в электрическую. Есть ряд разновидностей электростанций, которые применяют энергоресурсы как механическую энергию. Для этого они используют ветер, уголь, воду, дизельное топливо и прочие источники.

Полученное электричество поступает по кабельным сетям в жилые комплексы и на предприятия. После попадания к потребителям энергия трансформируется обратно в механическую в электрических двигателях.

На базе явления электромагнитной индукции сегодня функционирует много устройств и машин.

К самым интересным и полезным изобретениям относят следующее:

• трансформаторы;
• счетчики;
• радиовещание;
• синхрофазотроны;
• магнитотерапия;
• генераторы постоянного тока.

Интересные факты

С создателем теории связывают большое количество различных факторов:

1. В 1827 году Майкл Фарадей получил в Королевском институте профессорскую кафедру. Тем не менее, он продолжал нуждаться в деньгах. Друзья ученого помогли ему получить пожизненное содержание. Однако министр казначейства почитал это расточительством. Реакцией Фарадея стал отказ от пенсии правительства. При этом министру пришлось публично извиниться перед ученым.
2. Альберт Эйнштейн считал теорию Фарадея, посвященную свойствам электромагнитного поля, наиболее важным научным достижением со времен Исаака Ньютона.
3. Люди, которые занимались изучением биографии Фарадея, отмечали его необыкновенную работоспособность. К тому же поражала нацеленность исследователя на результат. Он в прямом смысле жил в лаборатории и был готов начать проведение экспериментов в любое время.
4. Заслуги Фарадея позволили ему получить почетное членство более, чем в 70 научных обществ и академий, которые относились к разным странам мира.
5. Химическое общество Великобритании дало имя Фарадея одной из наиболее почетных научных наград.
6. Ученый отличался очень скромным характером. Он отверг предложение возглавить Королевское общество. К тому же исследователь отказался принимать рыцарский титул.
7. Майкл Фарадей считается автором множества известных терминов, таких как ион, катод, анод и других.
8. Исследователь считается одним из самых знаменитых популяризаторов науки. Широкую известность получили его рождественские лекции. Фарадей начал их читать еще в 1826 году. Одной из наиболее известных стала «История свечи». Впоследствии ее издали отдельной книгой, которая получила широкое распространение. По сути, это было одно из первых научно-популярных изданий.
9. Ученый верил в Бога. Причем он не отказался от своих взглядов даже после публикации теории Дарвина. Исследователь лично проповедовал в одной из церквей Лондона. При этом его службы были весьма популярными.

• В честь Фарадея назвали внесистемную единицу измерения электрического разряда, которая используется в электрохимии.

Открытие явления электромагнитной индукции стало настоящим прорывом в научной сфере. Благодаря новым знаниям люди смогли создать множество новых приборов и устройств, которые применяются и в настоящее время. Среди них стоит выделить трансформаторы, счетчики, генераторы постоянного тока и многое другое.

Открытие электромагнитной индукции и изобретение динамо-машины послужили причиной коронации Фарадея как Отца электричества.

| Ашвани Кумар

Майкл Фарадей, выходец из очень бедной семьи, стал одним из величайших ученых в истории. Его достижение было замечательным в то время, когда наука была прерогативой людей, рожденных в привилегированных семьях. Единица электрической емкости названа в его честь фарад с символом F.

В 1821 году, 29 лет., он был назначен суперинтендантом дома и лаборатории Королевского института. Он также женился на Саре Барнард. Он и его невеста жили в комнатах Королевского института большую часть следующих 46 лет: больше не в комнатах на чердаке; теперь они жили в комфортабельных апартаментах, в которых когда-то жил сам Хамфри Дэви.

В 1824 году в возрасте 32 лет он был избран в Королевское общество. Это было признанием того, что он сам по себе стал известным ученым.

В 1825 году в возрасте 33 лет он стал директором лаборатории Королевского института.

В 1833 году в возрасте 41 года он стал фуллеровским профессором химии в Королевском институте Великобритании. Эту должность он занимал до конца жизни.

В 1848 году в возрасте 54 лет и снова в 1858 году ему предложили стать президентом Королевского общества, но он отказался.

1821: открытие электромагнитного вращения

Это проблеск того, что в конечном итоге разовьется в электродвигатель, основанный на открытии Ганса Христиана Эрстеда, что провод, по которому течет электрический ток, обладает магнитными свойствами.

В 1802 году Джон Дальтон заявил, что верит в то, что все газы можно превратить в жидкость при низких температурах и/или высоких давлениях. Фарадей представил убедительные доказательства веры Дальтона, впервые применив давление для сжижения газообразного хлора и газообразного аммиака.

Важность открытия Фарадея заключалась в том, что он показал, что механические насосы могут превращать газ при комнатной температуре в жидкость. Затем жидкость можно было испарить, охладив окружающую среду, а образовавшийся газ можно было собрать и снова сжать насосом в жидкость, после чего весь цикл можно было повторить. Это основа работы современных холодильников и морозильников.

В 1862 году Фердинанд Карре продемонстрировал первую в мире коммерческую машину для производства льда на Всемирной выставке в Лондоне. Машина использовала аммиак в качестве охлаждающей жидкости и производила лед со скоростью 200 кг в час.

Исторически сложилось так, что бензол является одним из наиболее важных веществ в химии как в практическом смысле — т. е. при создании новых материалов; и в теоретическом смысле — то есть понимание химической связи. Майкл Фарадей обнаружил бензол в маслянистых остатках, оставшихся после производства газа для освещения в Лондоне.

Это было чрезвычайно важное открытие для будущего как науки , так и технологии . Фарадей обнаружил, что переменное магнитное поле заставляет электричество течь в электрической цепи.

Сегодня большая часть электроэнергии в наших домах вырабатывается по этому принципу. Вращение (кинетическая энергия) преобразуется в электричество с помощью электромагнитной индукции. Вращение может производиться паром высокого давления от вращающихся турбин на угле, газе или атомной энергии; или гидроэлектростанциями; или ветряными турбинами, например.

Фарадей был одним из главных участников создания новой науки электрохимии. Это наука о понимании того, что происходит на границе раздела электрода с ионным веществом. Электрохимия — это наука, которая создала ионно-литиевые аккумуляторы и аккумуляторы на основе гидридов металлов, способные питать современные мобильные устройства. Законы Фарадея жизненно важны для нашего понимания электродных реакций.

Фарадей обнаружил, что когда электрический проводник становится заряженным, весь дополнительный заряд остается снаружи проводника. Это означает, что наценка не появляется внутри помещения или клетки из металла.

Это был еще один жизненно важный эксперимент в истории науки, впервые связавший электромагнетизм и свет — связь, наконец, полностью описанная уравнениями Джеймса Клерка Максвелла в 1864 году, которые установили, что свет представляет собой электромагнитную волну.

Фарадей обнаружил, что магнитное поле заставляет плоскость поляризации света вращаться.

Большинство людей знакомы с ферромагнетизмом — типом, проявляемым обычными магнитами.

Лягушка слегка диамагнитна. Диамагнетизм противостоит магнитному полю — в данном случае очень сильному магнитному полю — и лягушка плавает из-за магнитного отталкивания.

Определение, принцип, законы, эксперименты и приложения

Закон электромагнитной индукции Фарадея был собственным открытием двух ученых Майкла Фарадея в 1831 году и Джозефа Генри в 1832 году. Первые результаты его экспериментов были опубликованы Фарадеем. . В своем первоначальном эксперименте он нашел принцип электромагнитной индукции. При этом он намотал две полоски металлической проволоки по всему железному кольцу. Благодаря этому он узнал принцип работы электромагнитов. Он считал, что когда на одном конце провода течет ток, это стимулирует генерировать волны по всему кольцу и вырабатывает электрическую энергию на другом конце провода. Этот принцип послужил основой для разработки многочисленных экспериментов по электромагнитной индукции. И это история открытия закона Фарадея. В этой статье четко объясняются принципы действия закона Фарадея, усиления ЭДС в катушке, его законов и приложений.

Закон электромагнитной индукции Фарадея в основном называется законом Фарадея. Это фундаментальный принцип электромагнетизма, который предусматривает концепцию того, как будет генерироваться ЭДС (электродвижущая сила) при взаимодействии электрического тока с магнитным полем. Этот сценарий называется электромагнитной индукцией.

Основной принцип закона Фарадея

При открытии этого закона один из его сценариев, который представлял собой ЭДС трансформатора, позже был сформулирован как уравнение Максвелла-Фарадея. Это означает, что закон Фарадея может быть получен с использованием уравнения Максвелла-Фарадея, которое описывает ЭДС трансформатора, и через Лоренца, где это касается ЭДС движения. Рассматривая интегральную форму Максвелла-Фарадея, можно проиллюстрировать только ЭДС трансформатора, тогда как рассмотрение интегральной части закона Фарадея иллюстрирует как двигательную, так и трансформаторную ЭДС.

Закон Фарадея — это одно уравнение, в котором говорится о двух различных явлениях: ЭДС движения (которая возникает под действием магнитной силы в случае движущегося провода) и ЭДС трансформатора (которая возникает под действием электрической силы, возникающей из-за изменение магнитного поля). Это считается двумя явлениями для закона Фарадея.

Формула

Основной принцип закона Фарадея гласит, что ЭДС, действующая на замкнутую поверхность, равна отрицательному изменению магнитного потока на замкнутом пути по отношению к скорости времени. Здесь закрытый путь считается проводящим. Учтите, что для проволочной петли, помещенной в магнитное поле, возникает магнитный поток Ф _B и поверхность любая, а Σ является границей предоставленного контура. Поскольку в проволочной петле будет происходить движение, необходимо учитывать Σ(t) для предоставленной поверхности. Теперь магнитный поток представляется как:

Ф _В = ʃʃ _{Σ t)} B(t) . dA

Здесь «dA» рассматривается как элемент площади на движущейся поверхности Σ(t), а «B» рассматривается как магнитное поле, «B.dA» представляет собой элемент потока вокруг dA. Проще говоря, это можно определить как магнитный поток через проволочную петлю, который будет иметь прямую пропорцию, связанную с силовыми линиями магнитного поля, которые проходят от петли.

Когда происходит изменение потока, B меняется или же когда изменяется проволочная петля, или и то, и другое, то в соответствии с принципом Фарадея проволочная петля получает ЭДС, которая определяется как энергия, полученная от единицы количества заряда, который прошел весь через петлю. Уравнение было выбрано из соображений совместимости с условиями специальной теории относительности. Точно так же это напряжение, которое рассчитывается путем разрезания провода на куски, чтобы сформировать разомкнутую цепь, а затем подключения вольтметра к краям провода.

Закон Фарадея определяет, что электродвижущая сила представлена ​​как изменение магнитного потока, которое показано как

Є = -(dФ _B /dt)

є – электродвижущая сила. Путь ЭДС обеспечивается принципом Ленца. Принцип Фарадея объясняет связь между путями переменных и их величинами. Несмотря на то, что отношения не были изображены четко, они были известны через математическую формулу.

С помощью закона Фарадея можно узнать путь ЭДС, не обращаясь к закону Ленца. Для этого будет полезно правило левой руки, и направление может быть известно следующим образом:

Правило большого пальца левой руки Закон Фарадея

• Выровняйте изогнутые пальцы левой руки с петлей.
• Вытяните большой палец, и направление большого пальца указывает путь «n», который является общим для области, окруженной петлей
• Знать знак ΔФ _B , который представляет собой изменение потока. Найдите начальное и последнее значения потока, соответствующие «n», как показано расширенным большим пальцем
• Когда изменение потока ΔФ _B, представляет положительное значение, то изогнутые пальцы представляют путь ЭДС
• Если изменение потока ΔФ _B, представляет собой отрицательное значение, то путь ЭДС будет противоположен искривленным пальцам.
• В случае плотно окруженной проволочной катушки, состоящей из N одинаковых витков, имеющих одинаковую Ф _B, , то закон Фарадея противоречит этому

Є = -N (dФ _B /dt)

Где «N» соответствует общему количеству витков в проводе, а Ф _B соответствует магнитному потоку через один контур.

А это подробное объяснение формулы закона Фарадея .

Закон электромагнитной индукции Фарадея

В законе электромагнитной индукции Фарадея есть два основных закона. Первый определяет индукцию ЭДС в движущемся проводнике, тогда как второй определяет генерируемую ЭДС в проводнике. Давайте подробно рассмотрим оба закона.

Первый закон Фарадея

Электромагнитная индукция является изобретением расширенной серии экспериментов, проведенных учеными Генри и Фарадеем. С результатами, полученными в результате этих экспериментов, Фарадей пришел к выводу, что в катушке возникает индукция электродвижущей силы, когда магнитный поток через катушку изменяется во времени.

На основе этой базовой концепции был изобретен первый закон Фарадея. Это можно представить на картинке, как показано ниже.

Изменение напряженности магнитного поля в замкнутом контуре Закон Фарадея

Итак, когда проводник находится в изменяющемся магнитном поле, возникает индукция ЭДС. Когда цепь, в которой находится проводник, замкнута, то генерируемый ток называется индуцированным током.

Ниже приведены способы изменения напряженности магнитного поля в замкнутом контуре:

• Вращением катушки, соответствующей магниту
• Путем изменения катушки внутри или вне магнитного поля
• Путем изменения местоположения области, где находится магнитное поле
• Сделав катушку и магнит либо отведенными, либо замкнутыми.

Второй закон Фарадея

Электродвижущая сила, индуцируемая в катушке, равна скорости изменения потокосцепления. Поток рассматривается как произведение потока, связанного с катушкой, и общего числа витков, присутствующих в катушке. Формула имеет вид

Є = -N (dФ/dt)

Где «N» соответствует общему количеству витков в проводе, Ф соответствует магнитному потоку через один контур, а «Є» соответствует магнитному потоку.

Знак минус означает, что путь индуцированной электродвижущей силы и изменение пути магнитных полей имеют противоположные направления. В дополнение к этому, с помощью принципа Ленца также можно узнать электромагнитную индукцию.

Эксперимент

Основной эксперимент, побудивший Фарадея ввести принцип Фарадея, был не таким уж сложным. С помощью нескольких бытовых приспособлений этот закон был открыт. Здесь мы используем картонную трубку, экранированную проволокой, чтобы сформировать катушку. Для этого устройства вольтметр подключается через катушку, и генерируемая электродвижущая сила считывается, когда магнит проходит через установку катушки. Настройка показана ниже.

В ходе этого эксперимента были сделаны следующие наблюдения:

• Когда магнит находится в постоянном положении или расположен близко к катушке, напряжения не будет
• Когда магнит начинает двигаться в направлении катушки, возникает некоторое напряжение, которое увеличивается до пикового значения, когда он достигает средней точки катушки
• Когда магнит начнет удаляться от средней точки, произойдет смена знака расчетного напряжения
• Когда магнит выходит и находится далеко от катушки, расчетное напряжение в направлении, обратном предыдущему сценарию, когда магнит движется близко к катушкам.

Что касается положения магнита и вычисленной ЭДС, графическое представление показано как

Это стабильные наблюдения закона Фарадея. Несмотря на то, что постоянный магнит может генерировать огромное магнитное поле, будет нулевая ЭДС, вызванная тем, что поток через катушку не изменится. Когда магнит приближается к катушке, поток быстро увеличивается до тех пор, пока магнит не окажется внутри катушки. Когда он начинает проходить по катушке, магнитный поток через катушку имеет тенденцию к уменьшению. В результате ЭДС индукции будет обращена вспять.

Первоначальные эксперименты

Так как Фарадей провел много экспериментов, первые три были следующими:

• В эксперименте 1 ^st было продемонстрировано, что напряженность магнитного поля изменяется при индуцировании тока. При подключении амперметра к этой установке он отклоняется, когда магнит приближается в направлении провода.
• В 2 ^и он показал, что прохождение тока по железному стержню может формировать его как электромагнитное. Он пришел к выводу, что когда существует относительное движение между катушкой и магнитом, возникает индукция ЭДС. При вращении магнита вокруг точки оси ЭДС не будет. Тогда как в случае, когда магнит вращается вокруг точки своей оси, то будет генерироваться ЭДС индукции. Из-за этого в амперметре не происходит отклонения, когда магнит остается постоянным.
• А в опыте 3 ^rd Фарадей заметил, что гальванометр не показывает отклонения и в катушке нет ЭДС индукции, когда катушка помещена в постоянное магнитное поле. Амперметр отклоняется в обратную сторону, когда магнит перемещается далеко от петли.

Вышеуказанные экспериментальные наблюдения были сведены в таблицу как:

Положение магнита	Отклонение гальванометра
Магнит не движется	Гальванометр не показывает отклонения
Магнит приближается к катушке	Отклонение гальванометра происходит в одну сторону
Магнит постоянный рядом с катушкой	Гальванометр не показывает отклонения
Магнит движется далеко от катушки	Отклонение гальванометра будет в обратном направлении
Магнит постоянный вдали от катушки	Гальванометр не показывает отклонения

Примеры закона Фарадея

Постоянный магнит диаметром 10 мм создавал поле силой 100 мТл. Поле быстро спадает с расстоянием и очень минимально на 1 мм дальше границы. При движении магнита со скоростью 1 метр/сек катушка со 100 витками, имеющая длину 1 мм и диаметр несколько больше, чем у магнита. Тогда какова величина ЭДС индукции?

Раствор

1). Для нахождения ЭДС индукции можно использовать закон Фарадея. Для этого нужно знать об изменении потока в катушке и о том, как быстро это изменение происходит.

Это можно инициировать, самостоятельно наблюдая за ситуациями, когда магнит находится внутри и вне катушки. Поскольку мы знаем, что поле быстро уменьшается, можно подумать, что поток становится равным нулю, когда магниты находятся вне катушки. Поскольку катушка тесно связана с магнитом, считалось, что положение поля ортогонально положению катушки, а поток равен

Ф = BA

Поскольку магнитное движение происходит со скоростью 1000 мм/сек, оно считалось внутренним по отношению к длине катушки 1 мм в течение 1/1000 сек. Используя закон Фарадея,

Є = -N (dФ/dt)

= -(100) [(100,10 ^-3T )∏(5 , 10 ^{-3 9} /1 ) 29019] 1 * 10 ^-3 )

= 0,78 вольта

2). Считайте, что поле направлено в прямом направлении, имеет устойчивую напряженность B = 5T и представляет собой прядь квадратной формы с одной проволочной петлей и длиной сторон 0,1 м.

Решение

Площадь петли A = 0,1 × 0,1 = 0,01 м2

Когда квадратная петля движется к полю в направлении «x» со скоростью 0,02 м/сек. Это означает, что за некоторый промежуток времени Δt = 5 с петля перейдет из состояния полного отсутствия поля в положение полностью внутреннего по отношению к нему, а нормаль к полю в каждый интервал времени будет связана с магнитным полем. Это означает, что ϴ = 0,

ΔФ = B ΔA cos(ϴ)

= 5T × 0,01 × COS (θ)

= 0,05 WB

Увеличение индуцированного EMF в катушке

Ниже приведены процедуры, объясняющие увеличение EMF в COIL

• 101101101010101 годы. значение «N», что означает, что при увеличении витков катушки в соответствии с формулой Фарадея было ясно, что при увеличении витков катушки также увеличивается индуцированная электродвижущая сила.
• С ростом напряженности магнитного поля, которое окружает катушку, обозначающего букву «В». Согласно статистическим расчетам, при увеличении потока ЭДС также будет увеличиваться. И теоретически, когда катушка проходит через сильное магнитное поле, силовые линии разделения увеличиваются, и поэтому ЭДС увеличивается.
• Когда относительная скорость движения между магнитом и катушкой увеличивается по сравнению с ее предыдущим значением, катушка будет быстрее разделять силовые линии, и это будет генерировать больше ЭДС индукции.

Приложения

Закон Фарадея является наиболее важным и фундаментальным законом в концепции электромагнетизма. Этот принцип находит применение во многих отраслях и областях. Вот некоторые из применений закона Фарадея :

Работа силовых трансформаторов зависит от закона Фарадея

• Основные функции электрического генератора основаны на принципе взаимной индукции закона Фарадея
• Все мы знаем, что индукционная плита – это устройство, которое сегодня есть в каждом доме. Это устройство также работает на основе концепции взаимной индукции. Когда через катушку с медным проводом, расположенную на дне емкости для приготовления пищи, проходит ток, он генерирует переменное магнитное поле. Это переменное или изменяющееся магнитное поле индуцирует электродвижущую силу, поэтому в сосуде возникает ток, и с этим в устройстве происходит выделение тепла.
• Электромагнитный расходомер — это устройство, которое используется для расчета скорости некоторых жидкостей. При приложении магнитного поля к электрически изолированной трубе, где присутствуют проводящие жидкости, в соответствии с законом Фарадея возникает индукция ЭДС. Эта ЭДС прямо пропорциональна скорости потока жидкости
• Уравнения Максвелла — прекрасное приложение закона Фарадея. Согласно этому закону, изменение магнитного поля создает изменение электрического поля, и обратный принцип применим и в уравнениях Максвелла.
• Самое интересное применение закона Фарадея — это светофоры. Здесь в фонарях используются проводные петли, чтобы определить влияние наведенного магнитного поля. Под дорогой проволочные петли, включая переменный ток, создают переменное магнитное поле, и когда какое-либо транспортное средство движется по ним, это создает наведенные вихревые токи в транспортном средстве. В соответствии с принципом Ленца эти токи образуют обратное магнитное поле, которое показывает влияние на ток, присутствующий в исходной проводной петле. Этот эффект подразумевает наличие транспортного средства, которое вызывает соответствующее изменение цвета светофора.
• Применяется в музыкальных устройствах, таких как электрические скрипки и гитары, а также во многих других.

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о законе Гаусса, законе Снеллиуса и расходомере.

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о MCQ по закону Гаусса, MCQ по закону Био-Саварта.

Наконец, это подробная информация о законе Фарадея. Эта статья предоставила четкую и правильную информацию о принципе работы закона Фарадея, экспериментах, законах индукции, приложениях и примерах.