A descoberta da indução eletromagnética tornou possível o surgimento. Sobre a história da descoberta do fenômeno da indução eletromagnética

21.09.2019

Correntes parasitas ou correntes de Foucault

Se um condutor maciço é colocado em um campo magnético alternado, nesse condutor, devido ao fenômeno da indução eletromagnética, surgem correntes de indução parasitas, chamadas correntes de Foucault.

Correntes parasitas também surgem quando um condutor maciço se move em um campo magnético constante, mas não homogêneo no espaço. As correntes de Foucault têm tal direção que a força que atua sobre elas em um campo magnético diminui o movimento do condutor. Pêndulo na forma de um sólido prato de metal feito de material não magnético, oscilando entre os pólos de um eletroímã, pára abruptamente quando o campo magnético é ligado.

Em muitos casos, o aquecimento causado pelas correntes de Foucault acaba sendo prejudicial e precisa ser combatido. Os núcleos dos transformadores, os rotores dos motores elétricos são feitos de placas de ferro separadas por camadas de um isolante que impede o desenvolvimento de grandes correntes de indução, e as próprias placas são feitas de ligas com alta resistividade.

Campo eletromagnetico

O campo elétrico criado por cargas estacionárias é estático e atua sobre as cargas. Uma corrente contínua provoca o aparecimento de um campo magnético constante no tempo, agindo sobre cargas e correntes em movimento. Elétrica e campo magnético existem neste caso independentemente um do outro.

Fenômeno Indução eletromagnética demonstra a interação desses campos, observada em substâncias nas quais existem cargas livres, ou seja, em condutores. Um campo magnético alternado cria uma campo elétrico, que, agindo sobre cargas livres, cria uma corrente elétrica. Esta corrente, sendo alternada, por sua vez gera um campo magnético alternado, que cria um campo elétrico no mesmo condutor, etc.

A combinação de campos elétricos e magnéticos alternados que geram um ao outro é chamada de campo eletromagnetico. Pode existir em um meio onde não há cargas livres e se propaga no espaço na forma de uma onda eletromagnética.

clássico eletrodinâmica- uma das maiores conquistas da mente humana. Ela teve um enorme impacto no desenvolvimento subsequente da civilização humana, prevendo a existência de ondas eletromagnéticas. Mais tarde, isso levou à criação de rádio, televisão, sistemas de telecomunicações, navegação por satélite, bem como computadores, robôs industriais e domésticos e outros atributos da vida moderna.

Pilar As teorias de Maxwell foi a afirmação de que apenas um campo elétrico alternado pode servir como fonte de um campo magnético, assim como um campo magnético alternado serve como fonte de um campo elétrico que cria uma corrente de indução em um condutor. A presença de um condutor neste caso não é necessária - um campo elétrico também surge no espaço vazio. As linhas de um campo elétrico alternado, da mesma forma que as linhas de um campo magnético, são fechadas. Os campos elétrico e magnético de uma onda eletromagnética são iguais.

Indução eletromagnética em diagramas e tabelas

Em um livro de física para o grau IX, breve digressão na história da descoberta da lei em questão. A revisão deve ser complementada. Estamos falando de uma lei fundamental da natureza, e você precisa revelar todos os seus aspectos no processo de se tornar. A história do processo de busca da lei de Faraday é especialmente instrutiva, e não há necessidade de perder tempo aqui.
Michael Faraday nasceu em 1791 nos arredores de Londres na família de um ferreiro. Seu pai não tinha meios para pagar seus estudos e, aos 13 anos, Faraday foi forçado a começar a estudar encadernação. Felizmente, ele foi aprendiz de um dono de livraria. Um menino curioso que lia avidamente, e não uma literatura fácil. Ele foi atraído por artigos sobre Ciências Naturais na Encyclopædia Britannica, estudou os Discourses on Chemistry de Marte. Em 1811, Faraday começou a assistir a palestras públicas sobre física do conhecido educador londrino Tatum.
O ponto de virada na vida de Faraday foi 1812. Um cliente do dono de uma livraria, membro Instituto Real Dance recomendou que o jovem ouvisse as palestras do famoso químico Gamfrn Davy. Faraday seguiu Bom conselho; ele escutou avidamente e tomou notas cuidadosas. A conselho do mesmo Dance, ele processou as notas e as enviou a Davy, acrescentando um pedido de oportunidade de trabalho de pesquisa. Em 1813, Faraday conseguiu um emprego como assistente de laboratório no laboratório químico do Royal Institute, liderado por Davy.
No início, Faraday é um químico. Ele rapidamente segue o caminho da criatividade independente, e o orgulho de Devi muitas vezes sofre com o sucesso do aluno. Em 1820, Faraday soube da descoberta de Oersted e, desde então, seus pensamentos absorveram eletricidade e magnetismo. Ele começa sua famosa pesquisa experimental, que levou à transformação do pensamento físico. Em 1823, Faraday foi eleito membro da Royal Society of London e, em seguida, nomeado diretor dos laboratórios físicos e químicos do Royal Institute. Dentro das paredes desses laboratórios, maiores descobertas. A vida de Faraday, aparentemente monótona, é impressionante em sua tensão criativa. É evidenciado pela obra de três volumes "Pesquisa Experimental em Eletricidade", que reflete passo a passo maneira criativa gênio.
Em 1820, Faraday coloca fundamentalmente novo problema: "transformar magnetismo em eletricidade." Isso foi logo após a descoberta da ação magnética das correntes. No experimento de Oersted, uma corrente elétrica atua em um ímã. Como, segundo Faraday, todas as forças da natureza são interconversíveis, é possível, ao contrário, excitar uma corrente elétrica por força magnética.
Faraday liquefaz gases, realiza análises químicas finas, descobre novos Propriedades quimicas substâncias. Mas sua mente está incansavelmente ocupada com o problema proposto. Em 1822, ele descreve uma tentativa de detectar o "estado" devido ao fluxo de corrente: "polarizar o feixe de luz da lâmpada por reflexão e tentar descobrir se a água localizada entre os pólos da bateria de volts no vaso de vidro... "Faraday esperava desta forma obter algumas informações sobre as propriedades da corrente. Mas a experiência não deu nada. Em seguida vem 1825. Faraday publica um artigo " corrente eletromagnética(sob a influência de um ímã)”, no qual ele expressa o seguinte pensamento. Se a corrente atua no ímã, ele deve sofrer uma reação. “Por várias razões”, escreve Faraday, “foi feita a suposição de que a aproximação do pólo ímã forte reduzirá a corrente elétrica. E ele descreve uma experiência que concretiza essa ideia.
Um diário datado de 28 de novembro de 1825 descreve uma experiência semelhante. Bateria células galvânicas ligados por fio. Paralelo a este fio havia outro (os fios eram separados por uma dupla camada de papel), cujas extremidades eram conectadas a um galvanômetro. Faraday parecia raciocinar assim. Se a corrente é o movimento de um fluido elétrico e esse movimento atua sobre um ímã permanente - um conjunto de correntes (segundo a hipótese de Ampère), então o fluido em movimento em um condutor deve fazer o imóvel se mover no outro, e o galvanômetro deve fixar a corrente. As “várias considerações” sobre as quais Faraday escreveu ao apresentar o primeiro experimento se resumiam à mesma coisa, só que ali era esperada a reação de um fluido elétrico movendo-se em um condutor a partir das correntes moleculares de um ímã permanente. Mas os experimentos deram um resultado negativo.
A solução veio em 1831, quando Faraday sugeriu que a indução também deveria ocorrer em um processo não estacionário. Essa foi a ideia-chave que levou à descoberta do fenômeno da indução eletromagnética.
É possível que uma mensagem recebida da América o tenha forçado a se voltar para a ideia de mudar a corrente. A notícia veio do físico americano Joseph Henry (1797 - 1878).
Em sua juventude, Henry não mostrou habilidade excepcional nem interesse pela ciência. Cresceu na pobreza, foi lavrador, ator. Assim como Faraday, ele se educa. Começou a estudar aos 16 anos na Albany Academy. Em sete meses, aprendeu tanto conhecimento que conseguiu um emprego como professor em escola rural. Henry então trabalhou para o professor de química Beck como assistente de palestras. Ele combinou o trabalho com os estudos na academia. Depois de concluir o curso, Henry foi nomeado engenheiro e inspetor do Canal Erie. Alguns meses depois, ele deixou essa posição lucrativa, aceitando um convite para o cargo de professor de matemática e física em Albany. Nessa época, o inventor inglês William Sturgeon (1783 - 1850) relatou sua invenção de um ímã em forma de ferradura capaz de levantar um corpo de aço de até quatro quilos.
Henry se interessou pelo eletromagnetismo. Ele imediatamente encontrou uma maneira de aumentar a sustentação para uma tonelada. Isso foi conseguido por uma nova técnica na época: em vez de isolar o corpo do ímã, o fio foi isolado. Uma maneira de criar enrolamentos multicamadas foi descoberta. Em 1831, Henry mostrou a possibilidade de construir um motor elétrico, inventou um relé eletromagnético e, com sua ajuda, demonstrou a transmissão de sinais elétricos à distância, antecipando a invenção de Morse (o telégrafo de Morse apareceu em 1837).
Como Faraday, Henry se propôs a obter uma corrente elétrica usando um ímã. Mas esta foi a afirmação do problema do inventor. E a busca foi guiada pela pura intuição. A descoberta ocorreu alguns anos antes dos experimentos de Faraday. A configuração do experimento-chave de Henry é mostrada na Figura 9. Aqui tudo é o mesmo que foi mostrado até agora. Só que preferimos um acumulador mais conveniente a uma célula galvânica e, em vez de balanças de torção, usamos um galvanômetro.
Mas Henry não contou a ninguém sobre essa experiência. “Eu deveria ter impresso isso antes”, disse ele contritamente aos amigos, “mas tive tão pouco tempo! Eu queria trazer os resultados para algum tipo de sistema.”(ênfase minha.- NO. D.). E a falta de educação regular e ainda mais - o espírito utilitário-inventivo da ciência americana desempenhou um papel ruim. Henry, é claro, não entendeu e não sentiu a profundidade e a importância da nova descoberta. Caso contrário, ele, é claro, notificaria academia cerca de o maior fato. Mantendo silêncio sobre os experimentos de indução, Henry imediatamente enviou uma mensagem quando conseguiu levantar uma tonelada inteira com um eletroímã.
Esta é a mensagem que Faraday recebeu. Talvez tenha servido como o último elo da cadeia de inferências que levou à ideia-chave. No experimento de 1825, dois fios foram separados com papel. Deveria ter havido uma indução, mas não foi detectada devido à fraqueza do efeito. Henry mostrou que em um eletroímã o efeito é grandemente aumentado pelo uso de um enrolamento multicamada. Portanto, a indução deve aumentar se a ação indutiva é transmitida ao longo grande comprimento. De fato, um ímã é uma coleção de correntes. A excitação da magnetização em uma barra de aço quando uma corrente passa pelo enrolamento é a indução da corrente pela corrente. Aumenta se o caminho da corrente através do enrolamento se tornar mais longo.
Takova cadeia possível O raciocínio lógico de Faraday. Aqui Descrição completa primeira experiência bem sucedida: “Duzentos e três pés de fio de cobre em uma peça foram enrolados em um grande tambor de madeira; outros duzentos e três pés do mesmo fio foram colocados em espiral entre as voltas do primeiro enrolamento, com contato metálico em todos os lugares removido por meio de um cordão. Uma dessas bobinas estava conectada a um galvanômetro e a outra a uma bateria bem carregada de cem pares de placas quadradas de quatro polegadas com placas duplas de cobre. Quando o contato foi fechado, houve uma ação repentina, mas muito fraca no galvanômetro, e uma ação fraca semelhante ocorreu quando o contato com a bateria foi aberto.
Esta foi a primeira experiência que deu um resultado positivo após uma década de buscas. Faraday estabelece que ao fechar e abrir, surgem correntes de indução de direções opostas. Ele então passa a estudar o efeito do ferro na indução.
“Um anel foi soldado de barra redonda, ferro macio; a espessura do metal era de sete ou oito polegadas, e diâmetro externo anéis - seis polegadas. Três bobinas foram enroladas em uma parte desse anel, cada uma contendo cerca de sete metros de fio de cobre com um vigésimo de polegada de espessura. As espirais eram isoladas do ferro e umas das outras e sobrepostas umas às outras... Elas podiam ser usadas separadamente e em combinação; este grupo é rotulado MAS(Fig. 10). Na outra parte do anel, cerca de vinte metros do mesmo fio de cobre foi enrolado da mesma forma, em dois pedaços, formando uma espiral. NO, que tinha a mesma direção que as espirais MAS, mas foi separado deles em cada extremidade por cerca de meia polegada por ferro nu.
Espiral NO conectado fios de cobre com um galvanômetro colocado a uma distância de três pés do anel. Espirais separadas MAS conectadas de ponta a ponta de modo a formar uma espiral comum, cujas extremidades eram conectadas a uma bateria de dez pares de placas de quatro polegadas quadradas. O galvanômetro reagiu imediatamente, e com muito mais força do que foi observado acima, ao usar uma espiral dez vezes mais potente sem ferro.
Por fim, Faraday faz um experimento com o qual geralmente se inicia a apresentação da questão da indução eletromagnética. Esta foi uma repetição exata da experiência de Henry descrita na Figura 9.
O problema colocado por Faraday em 1820 foi resolvido: o magnetismo foi convertido em eletricidade.
Primeiro, Faraday distingue a indução de corrente de corrente (ele a chama de “indução volta-elétrica” e corrente de um ímã (“indução magneto-elétrica”), mas depois mostra que todos os casos estão sujeitos a um padrão geral.
A lei da indução eletromagnética abrangeu outro grupo de fenômenos, que mais tarde recebeu o nome de fenômenos de auto-indução. Faraday chamou o novo fenômeno da seguinte forma: "O efeito indutivo de uma corrente elétrica sobre si mesma".
Esta questão surgiu em conexão com o seguinte fato relatado a Faraday em 1834 por Jenkin. Este fato foi o seguinte. duas placas bateria galvânica conectado com fio curto. Ao mesmo tempo, o experimentador não pode receber um choque elétrico deste fio por nenhum truque. Mas se pegarmos o enrolamento de um eletroímã em vez de um fio, toda vez que o circuito for aberto, um choque será sentido. Faraday escreveu: “Ao mesmo tempo, algo mais é observado, um fenômeno conhecido pelos cientistas há muito tempo, a saber: uma faísca elétrica brilhante salta no ponto de separação "(meu itálico - V.D.).
Faraday começou a examinar esses fatos e logo descobriu uma série de novos aspectos do fenômeno. Demorou um pouco para ele estabelecer "a identidade dos fenômenos com os fenômenos da indução". Experiências que ainda estão sendo demonstradas tanto no meio como no ensino médio ao explicar o fenômeno da auto-indução, foram colocadas por Faraday em 1834.
Independentemente, experimentos semelhantes foram realizados por J. Henry, no entanto, como experimentos de indução, eles não foram publicados em tempo hábil. A razão é a mesma: Henry não encontrou um conceito físico que englobe fenômenos de várias formas.
Para Faraday, a auto-indução foi um fato que iluminou o caminho da busca. Resumindo observações, ele chega a conclusões de grande importância fundamental. “Não há dúvida de que a corrente em uma parte do fio pode atuar por indução em outras partes do mesmo fio que estão próximas... É isso que dá a impressão de que a corrente age sobre si mesma.”
Não conhecendo a natureza da corrente, Faraday, no entanto, aponta com precisão para a essência da questão: “Quando a corrente age por indução junto com ela, uma substância condutora localizada junto com ela, provavelmente atua sobre a eletricidade presente nesta substância condutora - não importa se este está em estado de corrente ou se está imóvel; no primeiro caso, fortalece ou enfraquece a corrente, dependendo de sua direção; no segundo, cria uma corrente.
A expressão matemática da lei da indução eletromagnética foi dada em 1873 por Maxwell em seu Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo. Só depois disso se tornou a base dos cálculos quantitativos. Assim, a lei da indução eletromagnética deve ser chamada de lei de Faraday-Maxwell.
Observações metódicas. Sabe-se que a excitação de uma corrente indutiva em um condutor movendo-se em campo magnético constante, e em um condutor estacionário, que está em campo magnético alternado, obedece à mesma lei. Para Faraday e Maxwell, isso era óbvio, pois imaginavam as linhas de indução magnética como formações reais no éter. Quando a corrente é ligada e desligada, ou a intensidade da corrente muda em torno dos condutores que compõem o circuito, as linhas de indução magnética se movem. Ao mesmo tempo, eles atravessam o próprio circuito, causando o fenômeno da auto-indução. Se houver algum condutor próximo ao circuito com uma corrente variável, as linhas de indução magnética, cruzando-o, excitam o EMF da indução eletromagnética.
materialização linhas de força campo elétrico e linhas de indução magnética tornaram-se propriedade da história. No entanto, seria um erro dar às linhas de força apenas um caráter formal. física moderna considera que a linha de força do campo elétrico e a linha de indução magnética é o lugar geométrico dos pontos em que o campo dado tem um estado diferente do estado em outros pontos. Este estado é determinado pelos valores dos vetores e nestes pontos. Quando o campo muda, os vetores e mudança, altera consequentemente a configuração das linhas de força. O estado do campo pode se mover no espaço na velocidade da luz. Se o condutor está em um campo cujo estado muda, uma EMF é excitada no condutor.

O caso em que o campo é constante e o condutor se move neste campo não é descrito pela teoria de Maxwell. Einstein notou isso pela primeira vez. Seu trabalho seminal "On the Electrodynamics of Moving Bodies" apenas começa com uma discussão sobre a insuficiência da teoria de Maxwell neste ponto. O fenômeno de excitação de um EMF em um condutor movendo-se em um campo magnético constante pode ser incluído no quadro da teoria campo eletromagnetico, se for complementado com o princípio da relatividade e o princípio da constância da velocidade da luz.

Em 1821, Michael Faraday escreveu em seu diário: "Transforme o magnetismo em eletricidade". Após 10 anos, este problema foi resolvido por ele.
A descoberta de Faraday
Não é por acaso que o primeiro e mais importante passo na descoberta de novas propriedades das interações eletromagnéticas foi dado pelo fundador das ideias sobre o campo eletromagnético - Faraday. Faraday estava confiante na natureza unificada dos fenômenos elétricos e magnéticos. Logo após a descoberta de Oersted, ele escreveu: “... Tempo bons condutores eletricidade, colocada na esfera dessa ação, nenhuma corrente foi induzida, nenhuma ação apreciável ocorreu, equivalente em força a tal corrente. O trabalho árduo de dez anos e a fé no sucesso levaram Faraday à descoberta, que mais tarde serviu de base para o projeto de geradores de todas as usinas do mundo, convertendo energia mecânica em energia elétrica. (Fontes que operam em outros princípios: células galvânicas, baterias, térmicas e fotocélulas - fornecem uma fração insignificante da energia elétrica gerada.)
Por muito tempo, a relação entre fenômenos elétricos e magnéticos não pôde ser detectada. Era difícil pensar no ponto principal: apenas um campo magnético variável no tempo pode excitar uma corrente elétrica em uma bobina fixa, ou a própria bobina deve se mover em um campo magnético.
A descoberta da indução eletromagnética, como Faraday chamou esse fenômeno, foi feita em 29 de agosto de 1831. Um caso raro em que a data de uma nova descoberta notável é conhecida com tanta precisão. Pequena descrição primeira experiência dada pelo próprio Faraday.
“Um fio de cobre de 203 pés de comprimento foi enrolado em uma grande bobina de madeira, e entre as voltas foi enrolado um fio do mesmo comprimento, mas isolado do primeiro fio de algodão. Uma dessas espirais estava conectada a um galvanômetro, e a outra a uma bateria forte, composta por 100 pares de placas... o mesmo foi notado quando a corrente parou. Com a passagem contínua de corrente por uma das espirais, não foi possível notar nem o efeito no galvanômetro, nem em geral nenhum efeito indutivo na outra espiral, apesar disso. 5.1
argumentando que o aquecimento de toda a bobina conectada à bateria, e o brilho da faísca que saltava entre as brasas, testemunhavam a potência da bateria.
Assim, inicialmente, a indução foi descoberta em condutores que estavam imóveis um em relação ao outro durante o fechamento e a abertura do circuito. Então, entendendo claramente que a aproximação ou remoção de condutores com corrente deveria levar ao mesmo resultado que fechar e abrir o circuito, Faraday provou através de experimentos que a corrente surge quando as bobinas se movem uma em relação à outra (Fig. 5.1). Familiarizado com os trabalhos de Ampère, Faraday entendeu que um ímã é um conjunto de pequenas correntes que circulam em moléculas. Em 17 de outubro, conforme registrado em seu diário de laboratório, uma corrente de indução foi detectada na bobina durante o empurrar (ou puxar) do ímã (Fig. 5.2). Dentro de um mês Faraday empiricamente descobriu todas as características essenciais do fenômeno da indução eletromagnética. Restava apenas dar à lei uma forma quantitativa estrita e revelar plenamente a natureza física do fenômeno.
O próprio Faraday já percebeu a coisa comum que determina o aparecimento de uma corrente de indução em experimentos que parecem diferentes externamente.
Em um circuito condutor fechado, uma corrente surge quando o número de linhas de indução magnética que penetram na superfície delimitada por este circuito muda. E quanto mais rápido o número de linhas de indução magnética muda, maior a corrente resultante. Neste caso, a razão para a mudança no número de linhas de indução magnética é completamente indiferente. Isso pode ser uma mudança no número de linhas de indução magnética que penetram em um condutor fixo devido a uma mudança na intensidade da corrente em uma bobina adjacente e uma mudança no número de linhas devido ao movimento do circuito em um campo magnético não homogêneo , cuja densidade de linhas varia no espaço (Fig. 5.3).
Faraday não apenas descobriu o fenômeno, mas também foi o primeiro a construir um modelo imperfeito, porém imperfeito, de um gerador de corrente elétrica que converte a energia mecânica de rotação em corrente. Era um disco de cobre maciço girando entre os pólos de um ímã forte (Figura 5.4). Ao anexar o eixo e a borda do disco ao galvanômetro, Faraday descobriu um desvio
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S A corrente era, no entanto, fraca, mas o princípio encontrado mais tarde tornou possível construir geradores potentes. Sem eles, a eletricidade ainda seria um luxo que poucas pessoas podem pagar.
Em uma espira fechada condutora, uma corrente elétrica surge se a espira estiver em um campo magnético alternado ou se mover em um campo constante no tempo, de modo que o número de linhas de indução magnética que penetram na espira mude. Esse fenômeno é chamado de indução eletromagnética.

2.7. DESCOBERTA DO FENÔMENO DA INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA

Uma grande contribuição para a engenharia elétrica moderna foi feita pelo cientista inglês Michael Faraday, cujos trabalhos, por sua vez, foram elaborados por trabalhos anteriores sobre o estudo dos fenômenos elétricos e magnéticos.

Há algo de simbólico no fato de que no ano de nascimento de M. Faraday (1791) foi publicado um tratado de Luigi Galvani com a primeira descrição de um novo fenômeno físico - a corrente elétrica, e no ano de sua morte (1867) um "dínamo" foi inventado - um gerador auto-excitado corrente direta, ou seja uma fonte confiável, econômica e fácil de usar energia elétrica. A vida do grande cientista e sua atividade, única em seus métodos, conteúdo e significado, não apenas abriu um novo capítulo na física, mas também desempenhou um papel decisivo no nascimento de novos ramos da tecnologia: a engenharia elétrica e de rádio.

Por mais de cem anos, muitas gerações de jovens estudantes aprenderam a história da vida notável de um dos cientistas mais famosos, membro de 68 sociedades e academias científicas, em aulas de física e em inúmeros livros. Normalmente o nome de M. Faraday é associado ao mais significativo e, portanto, o mais descoberta famosa- o fenômeno da indução eletromagnética, feito por ele em 1831. Mas um ano antes disso, em 1830, para pesquisas no campo da química e eletromagnetismo, M. Faraday foi eleito membro honorário da Academia de Ciências de São Petersburgo, um membro da Royal Society of London (British Academy of Sciences) foi eleito em 1824. A partir de 1816, quando o primeiro trabalho científico de M. Faraday, dedicado a análises químicas lima toscana, e em 1831, quando o famoso diário científico "Pesquisa Experimental sobre Eletricidade" começou a ser publicado, M. Faraday publicou mais de 60 artigos científicos.

Grande diligência, sede de conhecimento, inteligência e observação inatas permitiram a M. Faraday alcançar excelentes resultados em todas essas áreas pesquisa científica abordado pelo cientista. O reconhecido "rei dos experimentadores" gostava de repetir: "A arte do experimentador é ser capaz de fazer perguntas à natureza e compreender suas respostas".

Cada estudo de M. Faraday foi distinguido por tal meticulosidade e foi tão consistente com os resultados anteriores que quase não houve críticas de seu trabalho entre seus contemporâneos.

Se excluído da consideração pesquisa química M. Faraday, que também constituiu uma época em seu campo (basta lembrar as experiências com gases liquefeitos, a descoberta do benzeno, butileno), depois todas as suas outras obras, à primeira vista às vezes dispersas, como traços na tela de um artista, tomados em conjunto, formam uma imagem incrível um estudo abrangente de dois problemas: interconversões várias formas energia e conteúdo físico meio Ambiente.

Arroz. 2.11. Esquema de "rotações eletromagnéticas" (de acordo com o desenho de Faraday)

1, 2 - tigelas com mercúrio; 3 - ímã móvel; 4 - ímã estacionário; 5, 6 - fios que vão para a bateria de células galvânicas; 7 - haste de cobre; 8 - condutor fixo; 9 - condutor móvel

O trabalho de M. Faraday no campo da eletricidade foi iniciado pelo estudo das chamadas rotações eletromagnéticas. A partir de uma série de experimentos de Oersted, Arago, Ampère, Biot, Savart, realizados em 1820, ficou conhecido não apenas o eletromagnetismo, mas também a peculiaridade das interações de corrente e ímã: aqui, como já observado, forças centrais não familiarizado com a mecânica clássica atuou, e as forças são diferentes, se esforçando para estabelecer uma agulha magnética perpendicular ao condutor. M. Faraday colocou a questão: o ímã se esforça para um movimento contínuo em torno do condutor por dreno? A experiência confirmou a hipótese. Em 1821, M. Faraday deu uma descrição dispositivo físico, esquematicamente mostrado na Fig. 2.11. No vaso esquerdo com mercúrio havia um ímã permanente de haste articulada na parte inferior. Quando a corrente era ligada, sua parte superior girava em torno de um condutor fixo. No vaso da direita, a haste magnética estava imóvel, e o condutor de corrente, suspenso livremente no suporte, deslizou sobre o mercúrio, girando em torno do pólo magnético. Como neste experimento aparece pela primeira vez um dispositivo magnetoelétrico com movimento contínuo, é bastante legítimo começar a história com esse dispositivo. máquinas elétricas em geral e o motor elétrico em particular. Prestemos atenção também ao contato de mercúrio, que mais tarde encontrou aplicação na eletromecânica.

Foi a partir desse momento, aparentemente, que o sr. Faraday começou a formar idéias sobre a "interconversibilidade das forças" universal. Tendo obtido com a ajuda do eletromagnetismo uma movimento mecânico, ele se propõe a tarefa de reverter o fenômeno ou, na terminologia de M. Faraday, transformar magnetismo em eletricidade.

Somente a convicção absoluta na validade da hipótese da “intercambialidade” pode explicar o propósito e a perseverança, milhares de experimentos e 10 anos de trabalho árduo gastos para resolver o problema formulado. Em agosto de 1831, um experimento decisivo foi feito e, em 24 de novembro, em uma reunião na Royal Society, foi apresentada a essência do fenômeno da indução eletromagnética.

Arroz. 2.12. Ilustração da experiência Arago ("magnetismo de rotação")

1 - disco condutor não magnético; 2 - base de vidro para fixação do eixo do disco

Como exemplo que caracteriza a linha de pensamento de um cientista e a formação de suas idéias sobre o campo eletromagnético, consideremos o estudo de M. Faraday de um fenômeno que foi então chamado de "magnetismo de rotação". Muitos anos antes do trabalho de M. Faraday, os navegadores notaram o efeito inibitório do corpo de cobre da bússola sobre as oscilações da agulha magnética. Em 1824 D. F. Arago (ver § 2.5) descreveu o fenômeno do "magnetismo rotacional", que nem ele nem outros físicos puderam explicar satisfatoriamente. A essência do fenômeno foi a seguinte (Fig. 2.12). Um ímã em forma de ferradura poderia girar em torno eixo vertical, e acima de seus pólos havia um disco de alumínio ou cobre, que também podia girar em um eixo, cuja direção de rotação coincidia com a direção de rotação do eixo do ímã. Em repouso, não foram observadas interações entre o disco e o ímã. Mas assim que o ímã começou a girar, o disco correu atrás dele e vice-versa. Para excluir a possibilidade de arrastamento do disco por correntes de ar, o ímã e o disco foram separados por vidro.

A descoberta da indução eletromagnética ajudou M. Faraday a explicar o fenômeno de D.F. Arago, e já no início do estudo para escrever: “Esperava fazer da experiência do Sr. Arago nova fonte eletricidade."

Quase simultaneamente com M. Faraday, a indução eletromagnética foi observada por um notável físico americano José Henrique (1797-1878). Não é difícil imaginar os sentimentos do cientista, futuro presidente da Academia Nacional Americana de Ciências, quando estava prestes a publicar suas observações e soube da publicação de M. Faraday. Um ano depois, D. Henry descobriu o fenômeno da auto-indução e das correntes extras, e também estabeleceu a dependência da indutância do circuito das propriedades do material e da configuração dos núcleos das bobinas. Em 1838, D. Henry estudou "correntes de ordem superior", i.e. correntes induzidas por outras correntes induzidas. Em 1842, a continuação desses estudos levou D. Henry à descoberta da natureza oscilatória da descarga de um capacitor (mais tarde, em 1847, essa descoberta foi repetida pelo notável físico alemão Hermann Helmholtz) (1821-1894).

Passemos aos principais experimentos de M. Faraday. A primeira série de experimentos terminou com um experimento demonstrando o fenômeno da indução "volta-elétrica" (na terminologia de M. Faraday) (Fig. 2.13, uma- G). Tendo detectado a ocorrência de corrente no circuito secundário 2 ao fechar ou abrir o primário 1 ou durante o movimento mútuo dos circuitos primário e secundário (Fig. 2.13, dentro), M. Faraday montou um experimento para esclarecer as propriedades da corrente induzida: dentro da espiral b, incluído no circuito secundário, uma agulha de aço 7 foi colocada (Fig. 2.13, b) que foi magnetizado por uma corrente induzida. O resultado mostrou que a corrente induzida é semelhante à corrente recebida diretamente de uma bateria galvânica. 3.

Arroz. 2.13. Esquemas dos principais experimentos que levaram à descoberta da indução eletromagnética

Substituindo um tambor de madeira ou papelão 4, em que foram enrolados os enrolamentos primário e secundário, com um anel de aço (Fig. 2.13, d), M. Faraday descobriu um desvio mais intenso da agulha do galvanômetro 5. Essa experiência indicou Papel essencial ambiente em processos eletromagnéticos. Aqui M. Faraday usa pela primeira vez um dispositivo que pode ser chamado de protótipo de um transformador.

A segunda série de experimentos ilustrou o fenômeno da indução eletromagnética que surgiu na ausência de uma fonte de tensão no circuito primário. Com base no fato de que a bobina circulada pela corrente é idêntica ao ímã, M. Faraday substituiu a fonte de tensão por dois ímãs permanentes (Fig. 2.13, e) e observou a corrente no enrolamento secundário durante o fechamento e abertura do circuito magnético. Ele chamou esse fenômeno de "indução magnetoelétrica"; mais tarde, ele observou que não há diferença fundamental entre indução "volta-elétrica" e "magnetoelétrica". Posteriormente, ambos os fenômenos foram combinados pelo termo "indução eletromagnética". Nos experimentos finais (Fig. 2.13, por exemplo) o aparecimento de uma corrente induzida foi demonstrado quando um ímã permanente ou uma bobina que transporta corrente se move dentro do solenóide. Foi esse experimento que demonstrou mais claramente a possibilidade de transformar "magnetismo em eletricidade" ou, mais precisamente, energia mecânica em elétrica.

Com base em novas ideias, M. Faraday deu uma explicação do lado físico do experimento com o disco de D.F. Aragão. Resumidamente, seu raciocínio pode ser resumido da seguinte forma. Um disco de alumínio (ou qualquer outro condutor, mas não magnético) pode ser pensado como uma roda com um número infinito de raios - condutores radiais. Com o movimento relativo do ímã e do disco, esses raios condutores "cortam as curvas magnéticas" (terminologia de Faraday), e uma corrente induzida ocorre nos condutores. A interação da corrente com um ímã já era conhecida. Na interpretação de M. Faraday, a terminologia e o método de explicação do fenômeno chamam a atenção. Para determinar a direção da corrente induzida, ele introduz a regra de uma faca que corta as linhas de força. Esta não é a lei de E.H. ainda. Lenz, que se caracteriza pela universalidade das características do fenômeno, mas só tenta cada vez descrições detalhadas defina se a corrente fluirá do cabo para a ponta da lâmina ou vice-versa. Mas o quadro fundamental é importante aqui: M. Faraday, em contraste com os defensores da teoria da ação de longo alcance, preenche o espaço em que várias forças agem com o ambiente material, o éter, desenvolvendo a teoria etérea de L. Euler , que, por sua vez, é influenciado pelas ideias de M.V. Lomonossov.

M. Faraday deu a realidade magnética, e depois no estudo de dielétricos e linhas elétricas de força, a realidade física, dotou-os da propriedade de elasticidade e encontrou explicações muito plausíveis para uma variedade de fenômenos elétricos. fenômenos magnéticos, usando a ideia dessas linhas elásticas, semelhantes a fios de borracha.

Mais de um século e meio se passou e ainda não encontramos mais maneira visual e esquemas para explicar fenômenos associados à indução e ações eletromecânicas do que o famoso conceito de linhas de Faraday, que até hoje nos parecem materialmente perceptíveis.

De D. F. Arago M. Faraday realmente fez uma nova fonte de eletricidade. Tendo feito girar um disco de alumínio ou cobre entre os pólos de um ímã, M. Faraday colocou escovas no eixo do disco e em sua periferia.

Assim, foi projetada uma máquina elétrica, que mais tarde recebeu o nome de gerador unipolar.

Ao analisar as obras de M. Faraday, manifesta-se claramente ideia geral, que foi desenvolvido pelo grande cientista ao longo de sua vida criativa. Lendo M. Faraday, é difícil se livrar da impressão de que ele tratou apenas de um problema das interconversões de várias formas de energia, e todas as suas descobertas foram feitas casualmente e serviram apenas para ilustrar a ideia principal. Ele explora tipos diferentes eletricidade (animal, galvânica, magnética, termoeletricidade) e, provando sua identidade qualitativa, descobre a lei da eletrólise. Ao mesmo tempo, a eletrólise, como o tremor dos músculos de um sapo dissecado, serviu inicialmente apenas como prova de que todos os tipos de eletricidade se manifestam nas mesmas ações.

Os estudos da eletricidade estática e do fenômeno da indução eletrostática levaram M. Faraday à formação de idéias sobre dielétricos, à ruptura final com a teoria da ação de longo alcance, a estudos notáveis da descarga em gases (a descoberta do espaço escuro de Faraday ). Um estudo mais aprofundado da interação e interconversão de forças o levou à descoberta da rotação magnética do plano de polarização da luz, à descoberta do diamagnetismo e do paramagnetismo. A convicção na universalidade das transformações mútuas fez com que M. Faraday até se voltasse para o estudo da relação entre magnetismo e eletricidade, por um lado, e gravidade, por outro. É verdade que os experimentos espirituosos de Faraday não deram um resultado positivo, mas isso não abalou sua confiança na existência de uma conexão entre esses fenômenos.

Os biógrafos de M. Faraday gostam de enfatizar o fato de que M. Faraday evitou usar matemática, que em muitas centenas de páginas de sua "Pesquisa Experimental sobre Eletricidade" não há um único fórmula matemática. A esse respeito, convém citar a afirmação do compatriota de M. Faraday, o grande físico James Clark Maxwell (1831-1879): símbolos matemáticos. Também descobri que esse método pode ser expresso na forma matemática usual e, assim, ser comparado com os métodos dos matemáticos profissionais.

A "matemática" do pensamento de Faraday pode ser ilustrada por suas leis da eletrólise ou, por exemplo, pela formulação da lei da indução eletromagnética: a quantidade de eletricidade posta em movimento é diretamente proporcional ao número de linhas de força cruzadas. Basta imaginar a última formulação na forma de símbolos matemáticos, e imediatamente obtemos uma fórmula da qual o famoso d?/dt segue muito rapidamente, onde? - ligação de fluxo magnético.

D. K. Maxwell, que nasceu no ano da descoberta do fenômeno da indução eletromagnética, muito modestamente avaliou seus méritos para a ciência, enfatizando que ele só desenvolveu e vestiu forma matemática idéias de M. Faraday. A teoria do campo eletromagnético de Maxwell foi apreciada por cientistas do final do século 19 e início do século 20, quando a engenharia de rádio começou a se desenvolver com base nas idéias de Faraday - Maxwell.

Para caracterizar a previsão de M. Faraday, sua capacidade de penetrar nas profundezas dos fenômenos físicos mais complexos, é importante lembrar aqui que em 1832 o brilhante cientista se aventurou a sugerir que os processos eletromagnéticos são de natureza ondulatória, e oscilações e indução elétrica se propagam a uma velocidade finita.

No final de 1938, uma carta lacrada de M. Faraday, datada de 12 de março de 1832, foi encontrada nos arquivos da Royal Society de Londres e permaneceu obscura por mais de 100 anos e continha as seguintes linhas:

“Alguns resultados de pesquisas... me levaram à conclusão de que leva tempo para a propagação do efeito magnético, ou seja, quando um ímã age sobre outro ímã distante ou pedaço de ferro, a causa influenciadora (que me permitirei chamar de magnetismo) se espalha gradualmente dos corpos magnéticos e requer um certo tempo para sua propagação, o que, obviamente, será muito insignificante.

Também acredito que a indução elétrica se propaga exatamente da mesma maneira. Acredito que a propagação de forças magnéticas de pólo magnético semelhantes às vibrações de uma superfície de água agitada ou às vibrações sonoras de partículas de ar, ou seja, Pretendo aplicar a teoria das vibrações aos fenômenos magnéticos, como é feito ao som, e é a explicação mais provável dos fenômenos luminosos.

Por analogia, considero possível aplicar a teoria das oscilações à propagação da indução elétrica. Essas visões eu quero testar experimentalmente, mas como meu tempo é deveres oficiais, o que pode causar um prolongamento das experiências... Quero, transferindo esta carta para guarda sociedade Real, garanta a abertura para uma determinada data...".

Como essas idéias de M. Faraday permaneceram desconhecidas, não há razão para recusar seu grande compatriota D.K. Maxwell na descoberta dessas mesmas idéias, às quais ele deu uma forma física e matemática estrita e um significado fundamental.

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