Опыты Фарадея. Электромагнитная индукция. Майкл Фарадей

Опыты Фарадея внесли неоценимый вклад в формирование современной науки. Простой мальчик из бедной семьи совершил настоящий прорыв в физике. Среди его экспериментальных открытий – закон электромагнитной индукции, явление электролиза, фарадеев цилиндр. Ученый не только стремился ставить новые опыты – он выстроил вполне понятную теорию электромагнитных явлений, основанную на экспериментальных данных.

Начало

Майкл Фарадей был сыном кузнеца. Элементарные знания он получил в школе для бедных, где научился читать, писать и считать. В девятилетнем возрасте Фарадей разносит газеты, а позже отец определяет его в ученики переплетчика. Любознательный мальчик читал все книги, которые ему отдавали на переплетение. Но больше всего ему нравились научные трактаты. Так будущий ученый расширял свой кругозор и знакомился с последними достижениями современной науки. Чудесный случай свел его с сэром Дэви, который взял его в секретари.

Новая профессия дала ему возможность путешествовать по свету и поддерживать знакомство с великими учеными того времени – Вольта, Гей-Люссаком, Ампером. Именно под влиянием великих людей Фарадей начинал свою научную деятельность.

Первые открытия

В октябре 1832 года в дневниках Фарадея появилась первая запись: "При прохождении тока площадь окрашенных участков на бумаге изменяется". Это наблюдение послужило первым толчком к взаимодействию химических реакций и электрических явлений. Отклонение магнитной стрелки под действием электрического тока послужило молодому ученому основой для собственного открытия. Майкл Фарадей приступил к изучению природы электрических явлений.

Открытие Фарадея

Опыты по изучению индукционных эффектов начались около 200 лет назад Джозефом Генри и Майклом Фарадеем. Ученые исследовали электрический ток с помощью двух проволочных спиралей, которые были намотаны на катушку из дерева. Одна из таких спиралей присоединялась к гальванометру, который регистрировал слабые токи. Вторая спираль сообщалась с гальванической батареей. В момент замыкания и размыкания цепи индикаторная стрелка гальванометра обязательно отклонялась.

Так опыты Фарадея доказали существование зависимости между магнитными и электрическими полями. Полученная взаимосвязь носит название «закон электромагнитной индукции». Кратко смысл этого явления можно описать как возникновение электрического тока в замкнутом контуре при меняющемся со временем магнитном потоке, который этот контур пронизывает. Дальнейшие опыты Фарадея посвящались изучению данного явления.

Исследование ЭМИ

Один из опытов показал, что взаимодействие магнита и катушки с током провоцирует появление индукционного тока. Фарадей объяснил это явление так: при внесении магнита в катушку в цепи возникает электрический ток, при вынесении также возникает ток, но другого направления. Появляющееся напряжение зависит от скорости движения магнита и от того, каким полюсом он погружается в катушку.

Второй опыт касался возникновения тока в одной катушке при изменении напряжения в другой. Как доказал Фарадей, такое явление возникает в момент подачи (прекращения) тока в первом элементе.

Проведя многочисленные опыты, Фарадей доказал, что в замкнутых цепях напряжение возникает лишь в том случае, когда данная цепь попадает в переменное магнитное поле. Возникающий при этом ток называется самонаводящимся или индукционным.

Электродвижущая сила

Современная наука утверждает, что в электрической цепи возникает не определенный ток, а электродвижущая сила (ЭДС), провоцирующая его появление. Эксперименты показали, что в контуре при изменении магнитного потока возникает ЭДС. Ее формулу можно записать следующим образом:

Смысл этого выражения состоит в том, что ЭДС равна скорости изменения магнитного потока, отображенной со знаком «минус». Формула Фарадея носит его имя и отражает такой закон: ЭДС индукции равно скорости изменения магнитного потока через контур. Знак минус в этом выражении обязан своим появлением правилу Ленца.

Первый генератор

В 1831 году ученый, чтобы наглядно продемонстрировать процесс преобразования механической энергии в электрическую, построил генератор Фарадея. Этот прибор не имел практического значения, но наглядно показывал волшебство возникновения электрического тока.

Диск Фарадея представлял собой устройство, напоминающее примитивный генератор. В этой конструкции магнитное поле направлялось вдоль оси вращения, а контур оставлялся неподвижен. Удивление наблюдателей вызывало то обстоятельство, что вращение магнита вместе с диском приводило к появлению электродвижущей силы в неподвижной цепи. Это явление было названо парадоксом Фарадея. Данное противоречие разрешилось уже после смерти ученого, когда был открыт электрон, который ведет себя и как заряд, и как частица.

Исследования электоролиза

Опыты Фарадея не ограничивались изучением магнитных полей. Большая часть современных представлений об электролизе и ионах обязана своим появлением этому английскому ученому. Обширную серию опытов по изучению поведения химических растворов в электрическом поле Фарадей свел к двум простым законам, которыми мы пользуемся и в настоящее время:

• Масса вещества, образованная при электролизе на электродах, прямо пропорциональна произведению времени на ток (т. е. количеству электричества);
• при одном и том же количестве электричества масса вещества, образованного на электродах, пропорциональна химическому эквиваленту данного вещества.
  

В ходе опытов Фарадей доказал, что для получения 1,008 кг водорода необходимо затратить 96500000 кулон электричества. Столько же электричества нужно для получения 35,4 кг хлора, 63,6/2 кг меди, 16/2 кг кислорода. Таким образом, мера электричества, необходимая для получения одного химического эквивалента вещества, была названа числом Фарадея.

Огромный вклад, который внес этот необыкновенный и талантливый ученый в физику, ставит его на один уровень с Ньютоном, Джоулем, Эйнштейном и другими великими людьми.