+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Практическое применение явления электромагнитной индукции

Радиовещание


Переменное магнитное поле, возбуждаемое изменяющимся током, создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и т.д. Взаимно порождая друг друга, эти поля образуют единое переменное электромагнитное поле — электромагнитную волну. Возникнув в том месте, где есть провод с током, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света -300000 км/с.

Магнитотерапия


В спектре частот разные места занимают радиоволны, свет, рентгеновское излучение и другие электромагнитные излучения. Их обычно характеризуют непрерывно связанными между собой электрическими и магнитными полями.

Синхрофазотроны


В настоящее время под магнитным полем понимают особую форму материи состоящую из заряженных частиц. В современной физике пучки заряженных частиц используют для проникновения в глубь атомов с целью их изучения. Сила, с которой действует магнитное поле на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца.

Расходомеры — счётчики


Метод основан на применении закона Фарадея для проводника в магнитном поле: в потоке электропроводящей жидкости, движущейся в магнитном поле наводится ЭДС, пропорциональная скорости потока, преобразуемая электронной частью в электрический аналоговый/цифровой сигнал.

Генератор постоянного тока


В режиме генератора якорь машины вращается под действием внешнего момента. Между полюсами статора имеется постоянный магнитный поток, пронизывающий якорь. Проводники обмотки якоря движутся в магнитном поле и, следовательно, в них индуктируется ЭДС, направление которой можно определить по правилу «правой руки». При этом на одной щетке возникает положительный потенциал относительно второй. Если к зажимам генератора подключить нагрузку, то в ней пойдет ток.

Трансформаторы


Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.

Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформатор представляет собой сердечник из тонких стальных изолированных одна от другой пластин, на котором помещаются две, а иногда и больше обмоток (катушек) из изолированного провода. Обмотка, к которой присоединяется источник электрической энергии переменного тока, называется первичной обмоткой, остальные обмотки — вторичными.

Если во вторичной обмотке трансформатора намотано в три раза больше витков, чем в первичной, то магнитное поле, созданное в сердечнике первичной обмоткой, пересекая витки вторичной обмотки, создаст в ней в три раза больше напряжение.

Изучение явления электромагнитной индукции

Автор Alexey На чтение 4 мин. Просмотров 645 Опубликовано Обновлено

Изучение возникновения электрического тока всегда волновало ученых. После того, как в начале XIX века датский ученый Эрстед выяснил, что вокруг электрического тока возникает магнитное поле, ученые задались вопросом: может ли магнитное поле порождать электрический ток и наоборот.Первым ученым, кому это удалось, был ученый Майкл Фарадей.

Опыты Фарадея

После многочисленных проведенных опытов Фарадей смог достичь кое-каких результатов.

1.Возникновение электрического тока

Для проведения опыта он взял катушку с большим количеством витков и присоединил ее к миллиамперметру (прибору, измеряющему силу тока).

По направлению вверх и вниз ученый передвигал магнит по катушке.

Во время проведения эксперимента, в катушке действительно появлялся электрический ток по причине изменения магнитного поля вокруг нее.

По наблюдениям Фарадея стрелка миллиамперметра отклонялась и указывала на то, что движение магнита порождает собой электрический ток. При остановке магнита стрелка показывала нулевую разметку, т.е. ток не циркулировал по цепи.

рис. 1 Изменение силы тока в катушке за счет передвижения реjcтата

Данное явление, при котором  ток возникает под действием переменного магнитного поля в проводнике, назвали явлением электромагнитной индукции.

2.Изменение направления индукционного тока

В своих последующих исследованиях Майкл Фарадей пытался выяснить, что влияет на направление возникающего индукционного электрического тока. Проводя опыты, он заметил, что изменяя числа мотков на катушке или полярность магнитов, направление электрического тока, которое возникает в замкнутой сети меняется.

3.Явление электромагнитной индукции

Для проведения опыта ученый взял две катушки, которые расположил близко друг к другу. Первая катушка, имеющая большое количество витков проволоки, была подсоединена к источнику тока и ключу, замыкающему и размыкающему цепь. Вторую такую же катушку он присоединил к миллиамперметру уже без подключения к источнику тока.

Проводя эксперимент, Фарадей заметил, что при замыкании электрической цепи возникает индуцированный ток, что видно по движению стрелки миллиамперметра. При размыкании цепи миллиамперметр также показывал, что в цепи есть электрический ток, но показания были прямо противоположными. Когда же цепь была замкнута и равномерно циркулировала ток, тока в электрической цепи согласно данным миллиамперметра не было.

https://youtu.be/iVYEeX5mTJ8

Вывод из экспериментов

В результате открытия Фарадея была доказана следующая гипотеза: электрический ток появляется только при изменении магнитного поля. Также было доказано, что изменение числа витков в катушке изменяет значение силы тока (увеличение мотков увеличивает силу тока).

Причем индуцированный электрический ток может появиться в замкнутой цепи только при наличии переменного магнитного поля.

От чего зависит индукционный электрический ток?

Основываясь на всем вышесказанном, можно отметить, что даже если есть магнитное поле, это не приведет к возникновению электрического тока, если данное поле не будет при этом переменным.

Так от чего же зависит величина индукционного поля?

  1. Число витков на катушке;
  2. Скорость изменения магнитного поля;
  3. Скорость движения магнита.

Магнитный поток является величиной, которая характеризует магнитное поле. Изменяясь, магнитный поток приводит к изменению индуцированного электрического тока.

рис.2 Изменение силы тока при перемещении а) катушки , в котором находится соленоид; б) постоянного магнита , внесением его в катушку

Закон Фарадея

Основываясь на проведенных опытах, Майкл Фарадей сформулировал закон электромагнитной индукции. Закон заключается в том, что, магнитное поле при своем изменении приводит к возникновению электрического тока, Ток же указывает на наличие электродвижущей силы электромагнитной индукции (ЭДС).

Скорость магнитного тока изменяясь влечет за собой изменение скорости тока и ЭДС.

Закон Фарадея: ЭДС электромагнитной индукции равна численно и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока, который проходит через поверхность, ограниченную контуром

Индуктивность контура. Самоиндукция.

Магнитное поле создается в том случае, когда ток протекает в замкнутом контуре. Сила тока при этом влияет на магнитный поток и индуцирует ЭДС.

Самоиндукция – явление, при котором ЭДС индукции возникает при изменении силы тока в контуре.

Самоиндукция изменяется в зависимости от особенностей формы контура, его размеров и среды, его содержащей.

При увеличении электрического тока, ток самоиндукции контура может замедлить его. При его уменьшении, ток самоиндукции, напротив, не дает ему так быстро убывать. Таким образом, контур начинает обладать своей электрической инертностью, замедляющей любое изменение тока.

4.

2 Явление электромагнитной индукции — ф9 т3 Электромагнитные явления

  Английский ученый Майкл Фарадей:

“Если электрический ток, способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока?”

В 1821 г. М.Фарадей записал в своем дневнике: “Превратить магнетизм в электричество”. Через 10 лет эта задача была им решена. Он открыл явление электромагнитной индукции.

1 Опыт. Соединив гальванометр с катушкой, мы вдвигаем внутрь катушки постоянный магнит. При этом гальванометр покажет изменение тока в цепи.

Так как никакого источника тока у нас в цепи нет, то логично предположить, что ток возникает вследствие появления магнитного поля внутри катушки. Когда мы будем вытаскивать магнит обратно из катушки, мы увидим, что снова изменятся показания гальванометра, но его стрелка при этом отклонится в противоположную сторону. Мы опять получим ток, но уже направленный в другую сторону.

2 опыт с теми же элементами, только при этом мы зафиксируем магнит неподвижно, а надевать на магнит и снимать с него мы теперь будем саму катушку, подсоединенную к гальванометру. Мы получим те же результаты стрелка гальванометра будет показывать нам появление тока в цепи. При этом, когда магнит неподвижен, тока в цепи нет стрелка стоит на ноле.

Можно провести измененный вариант такого же опыта, только постоянный магнит заменить электрическим, который можно включать и выключать. Получим схожие с первым опытом результаты при движении магнита внутри катушки. Но, кроме того, при выключении и выключении неподвижного электромагнита, он будет вызывать кратковременное появление тока в цепи катушки.

Катушку можно заменить проводящим контуром и проделать опыты по перемещению и вращению самого контура в постоянном магнитном поле, либо же магнита внутри неподвижного контура. Результаты будут те же появление тока в цепи при движении магнита или контура.

Изменение магнитного поля вызывает появление тока, этот ток назвали индукционным ((от лат. inductio, букв. – наведение).

Определение явления электромагнитной индукции: При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока.

Открытие электромагнитной индукции принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины XIX века, которое вызвало бурное развитие электротехники и радиотехники.

Микротест:

В металлическое кольцо в течении первых 2 с вдвигают магнит, в течение следующих 3с магнит оставляют неподвижным, а в течении последних 4 с магнит вынимают из кольца. В какие промежутки времени в катушке течет ток?

а) 0 – 2 с;

б) 0 – 2 с и 5 – 9 с;

в) 0 – 9 с;

г) 2 – 9 с.

Электромагнитная индукция — это… Что такое Электромагнитная индукция?

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа[источник не указан 100 дней] 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.

Закон Фарадея

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в СИ):

где

 — электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,
 — магнитный поток через поверхность, натянутую на этот контур.

Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца, названное так по имени русского физика Э. Х. Ленца:

Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:

где

 — электродвижущая сила,
 — число витков,
 — магнитный поток через один виток,
 — потокосцепление катушки.

Векторная форма

В дифференциальной форме закон Фарадея можно записать в следующем виде:

(в системе СИ)

или

(в системе СГС).

В интегральной форме (эквивалентной):

(СИ)

или

(СГС)

Здесь  — напряжённость электрического поля,  — магнитная индукция,  — произвольная поверхность,  — её граница. Контур интегрирования подразумевается фиксированным (неподвижным).

Следует отметить, что закон Фарадея в такой форме, очевидно, описывает лишь ту часть ЭДС, что возникает при изменении магнитного потока через контур за счёт изменения со временем самого поля без изменения (движения) границ контура (об учете последнего см. ниже).

  • В этом виде закон Фарадея входит в систему уравнений Максвелла для электромагнитного поля (в дифференциальной или интегральной форме соответственно)[1].

Если же, скажем, магнитное поле постоянно, а магнитный поток изменяется вследствие движения границ контура (например, при увеличении его площади), то возникающая ЭДС порождается силами, удерживающими заряды на контуре (в проводнике) и силой Лоренца, порождаемой прямым действием магнитного поля на движущиеся (с контуром) заряды. При этом равенство продолжает соблюдаться, но ЭДС в левой части теперь не сводится к (которое в данном частном примере вообще равно нулю). В общем случае (когда и магнитное поле меняется со временем, и контур движется или меняет форму) последняя формула верна так же, но ЭДС в левой части в таком случае есть сумма обоих слагаемых, упомянутых выше (то есть порождается частично вихревым электрическим полем, а частично силой Лоренца и силой реакции движущегося проводника).

  • Некоторые авторы, например, М. Лившиц в журнале «Квант» за 1998 год[2] отрицают корректность применения термина закон Фарадея или закон электромагнитной индукции и т. п. к формуле в случае подвижного контура (оставляя для обозначения этого случая или его объединения со случаем изменения магнитного поля, например, термин правило потока)[3]. В таком понимании закон Фарадея — это закон, касающийся лишь циркуляции электрического поля (но не ЭДС, создаваемой с участием силы Лоренца), и в этом понимании понятие закон Фарадея в точности совпадает с содержанием соответствующего уравнения Максвелла.
  • Однако возможность (пусть с некоторыми оговорками, уточняющими область применимости) совпадающей формулировки «правила потока» с законом электромагнитной индукции нельзя назвать чисто случайной. Дело в том, что, по крайней мере для определенных ситуаций, это совпадение оказывается очевидным проявлением принципа относительности. А именно, например, для случая относительного движения катушки с присоединенным к ней вольтметром, измеряющим ЭДС, и источника магнитного поля (постоянного магнита или другой катушки с током), в системе отсчета, связанной с первой катушкой, ЭДС оказывается равной именно циркуляции электрического поля, тогда как в системе отсчета, связанной с источником магнитного поля (магнитом), происхождение ЭДС связано с действием силы Лоренца на движущиеся с первой катушкой носители заряда. Однако та и другая ЭДС обязаны совпадать, поскольку вольтметр показывает одну и ту же величину, независимо от того, для какой системы отсчета мы ее рассчитали.

Потенциальная форма

При выражении магнитного поля через векторный потенциал закон Фарадея принимает вид:

(в случае отсутствия безвихревого поля, то есть тогда, когда электрическое поле порождается полностью только изменением магнитного, то есть электромагнитной индукцией).

В общем случае, при учёте и безвихревого (например, электростатического) поля имеем:

История

В 1820 г. Ганс Христиан Эрстед показал, что протекающий по цепи электрический ток вызывает отклонение магнитной стрелки. Если электрический ток порождает магнетизм, то с магнетизмом должно быть связано появление электрического тока. Эта мысль захватила английского ученого М. Фарадея. «Превратить магнетизм в электричество», — записал он в 1822 г. в своём дневнике. Многие годы настойчиво ставил он различные опыты, но безуспешно, и только 29 августа 1831 г. наступил триумф: он открыл явление электромагнитной индукции. Установка, на которой Фарадей сделал своё открытие, заключалась в том, что Фарадей изготовил кольцо из мягкого железа примерно 2 см шириной и 15 см диаметром и намотал много витков медной проволоки на каждой половине кольца. Цепь одной обмотки замыкала проволока, в её витках находилась магнитная стрелка, удаленная настолько, чтобы не сказывалось действие магнетизма, созданного в кольце. Через вторую обмотку пропускался ток от батареи гальванических элементов. При включении тока магнитная стрелка совершала несколько колебаний и успокаивалась; когда ток прерывали, стрелка снова колебалась. Выяснилось, что стрелка отклонялась в одну сторону при включении тока и в другую, когда ток прерывался. М. Фарадей установил, что «превращать магнетизм в электричество» можно и с помощью обыкновенного магнита.

В это же время американский физик Джозеф Генри также успешно проводил опыты по индукции токов, но пока он собирался опубликовать результаты своих опытов, в печати появилось сообщение М. Фарадея об открытии им электромагнитной индукции.

М. Фарадей стремился использовать открытое им явление, чтобы получить новый источник электричества.

См. также

Примечания

  1. Это уравнение Максвелла может быть переписано в эквивалентном виде
    (здесь просто производная по t внесена под знак интеграла). В таком виде уравнение также может быть включено в систему уравнений Максвелла, причем оговорка о неподвижности контура интегрирования теряет актуальность, так как производная теперь очевидно не действует на границу области (на пределы интегрирования), а само интегрирование в любом случае полагается «мгновенным». В принципе, в таком виде это уравнение также могут называть законом Фарадея (чтобы отличить его от других уравнений Максвелла), пусть в таком виде оно и не совпадает прямо с его обычной формулировкой (но эквивалентно ей в своей области применимости).
  2. М. Лившиц Закон электромагнитной индукции или «правило потока»? // Квант. — 1998. — № 3. — С. 37—38.
  3. Такой отказ объясняется тем, что, в отличие от закона для циркуляции электрического поля, выполняющегося всегда, «правило» корректно работает лишь для случаев, когда контур, в котором вычисляется ЭДС, совпадает физически с проводником (то есть совпадает их движение; в противном же случае правило может не работать (самый известный пример — униполярная машина Фарадея; контур, который в этом случае трудно определить, но кажется довольно очевидным, что он не меняется; во всяком случае, довольно затруднительно указать разумное определение для контура, который бы в этом случае менялся), то есть проявляется парадокс, что для «закона природы» недопустимо.

Ссылки

Электромагнитная индукция — Основы электроники

Мы знаем, что проводник с током, помещенный в магнитное поле, приходит в движение. Это обусловлено явлением магнитной индукции. Существует и другое очень важное явление, в известном смысле обратное явлению магнитной индукции: при движении замкнутого проводника в маг­нитном поле в нем по­является электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией.

Возьмем проводник, концы которого зам­кнуты на гальванометр (прибор для обнаруже­ния малых электрических токов, можно использовать микроамперметр), и быстро пересечем этим проводником поле магнита (рисунок 1). При этом мы заметим, что стрелка гальванометра отклонится в тот мо­мент, когда проводник пересечет магнитное по­ле. Следовательно, по проводнику в этот мо­мент пройдет электри­ческий ток.

Рисунок 1. Электромагнитная индукция. При быстром пересечении проводником магнитных силовых линий в проводнике возникает электрический ток.

Пересечем теперь магнитное поле проводником в обратном направлении. Стрелка гальванометра снова отклонится, но уже в противоположную сторону. Это говорит о том, что по про­воднику снова прошел электрический ток, но уже в обратном направлении.

Отсюда можно сделать вывод, что при пересечении про­водником магнитного поля в проводнике возникает ЭДС, направление которой зависит от направления движения про­водника. Эта ЭДС называется индуктированной ЭДС или ЭДС индукции, то есть наведение ЭДС в проводнике и есть не что иное, как явление электромагнитной индукции (не следует сме­шивать с магнитной индукцией!).

Наведение ЭДС индукции при движении проводника в магнитном поле объясняется следующим образом. При движе­нии проводника вместе с ним движутся и свободные электроны, находящиеся в нем. При изучении магнитной индукции мы узнали, что на электрические заряды, движущиеся в магнитном поле, дей­ствует сила в направлении, перпендикулярном направлению магнитного потока. Поэтому при движении электронов вместе с проводником, пересекающим магнитные силовые линии, на электроны будут действо­вать силы, заставляющие их перемещаться вдоль проводника, что и приводит к возникновению электрического тока в нем.

Явление электромагнитной индукции имеет большое значе­ние в электро- и радиотехнике, поэтому мы остановимся на нем несколько подробнее.

Попробуем производить перемещение проводника в магнитном поле с различной скоростью. При этом мы заметим, что стрелка гальванометра будет отклоняться тем больше, чем быстрее наш проводник пересекает магнитное поле. При очень медленном перемещении проводника в нем совершенно не воз­никает тока или, говоря точнее, ток будет настолько мал, что наш гальванометр не в состоянии его обнаружить.

Далее обратим внимание на то обстоятельство, что, вдви­гая проводник в пространство между полюсами магнита, мы тем самым увеличиваем число магнитных силовых линий, охва­тываемых замкнутым контуром проводника, а при обратном перемещении проводника уменьшаем число этих линий, или, другими словами, в первом случае магнитный поток, охваты­ваемый нашим замкнутым контуром, увеличивается, а во вто­ром случае уменьшается. С этой точки зрения возникновение индукционного тока в замкнутом проводящем контуре мы мо­жем объяснить как результат изменения величины магнитного потока внутри контура; большие или меньшие отклонения стрелки при разных скоростях движения проводника свиде­тельствуют о том, что ЭДС индукции зависит от скорости изменения магнитного потока внутри контура.

При быстром возрастании (или убывании) магнитного по­тока внутри контура в нем наводится большая ЭДС индук­ции, а при медленном возрастании (или убывании)малая.

На принципе электромагнитной индукции основано устрой­ство электродинамических микрофонов, звукоснимателей , трансформаторов, электроизмерительных приборов, генераторов электрического тока и т. д.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

Явление электромагнитной индукции

Лекция № 9                  Явление электромагнитной индукции

          Открытие явления электромагнитной индукции доказало  возможность получения электрического поля с помощью магнитного поля, т. е. была установлена связь между электрическими и электромагнитными явлениями, что послужило фундаментом для разработки теории электромагнитного поля.

Закон Фарадея. Правило Ленца.

Открытие датским физиком Эрстедом магнитного поля вокруг проводников с током привело к попыткам с помощью магнитного поля возбудить ток в контуре.

Рис. 9.1

Эта задача была решена в 1831г. английским физиком М.Фарадеем, открывшим явление электромагнитной индукции. Явление заключается в том, что при изменении магнитного потока через поверхность ограниченную проводящим контуром, в нем возникает электрический ток. Этот ток называют индукционным. На рис. (9.1) изображены некоторые из опытов Фарадея. Обобщив результаты опытов, Фарадей пришел к таким выводам:

1. индукционный ток возникает всегда, когда происходит изменение магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром; 2. величина индукционного тока не зависит от  способа изменения потока  магнитной индукции и определяется только скоростью изменения магнитного потока.

Возникновение индукционного тока указывает на то, что в замкнутом проводнике действует электродвижущаяся сила, которая была названа электродвижущей силой индукции. Математическая запись закона Фарадея имеет вид:                                       .                                                    (9.1)

Э.Д.С. индукции равна скорости изменения магнитного потока.  и i  имеют противоположные знаки. Если поток возрастает ( ), то 0 т.е. возникающий, индукционный ток создает такое поле, которое будет направлено навстречу потоку (Если же поток уменьшается (), то  и  направление потока и поля, созданного индукционным током, совпадут. Ленц установил правило, позволяющее найти направление индукционного тока. Правило Ленца  гласит: индукционный ток в контуре всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток: индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине его вызывающей.

Если контур состоит из нескольких витков N ,например, соленоид, то  будет равна сумме Э.Д.С, индуцируемых в каждом из витков в отдельности, т.к. витки соединены последовательно:

                                             .                                         (9.2)

Величину называют полным магнитным потоком (или потокосцеплением).

Если же поток, принизывающий каждый из витков одинаков, то :

                                                                                                                  (9. 3)

э.д.с., индуцируемая в сложном контуре,

                                                          .                                    (9.4)

    Явление самоиндукции. При изменении силы тока в некотором замкнутом контуре изменяется индукция магнитного поля, созданного этим током. Следовательно, меняется поток магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром самого этого тока. А изменение потока магнитной индукции приведет к возникновению Э.Д.С. в этом же самом контуре. Это явление называется самоиндукцией. Согласно закону Био – Савара – Лапласа индукция магнитного поле пропорциональна току; сцепленный с контуром магнитный поток (Ф= BS) также пропорционален току I в контуре:

                                                           Ф = LI   .                                                  (9.5)

  Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура.

        Электродвижущую силу самоиндукции S получим,  воспользовавшись общим законом индукции, выраженным формулой:

                                                                                                                                                                 (9.6)                         
Взаимная индукция. Явление взаимной индукции состоит в том, что при изменении силы тока в каком-либо контуре, в пространстве, окружающем этот контур, возникает переменное магнитное поле, которое индуцирует э.д.с.  в соседних контурах. Возьмем два контура 1 и 2 (рис.9.2).  

                                                               Рис. 9.2

  Пусть сила тока в первом контуре – I1. Поток магнитной индукции Ф, создаваемый этим контуром,     пропорционален I1 .Через Ф21 обозначим ту часть потока Ф, которая пронизывает контур 2, тогда:

                                                       Ф21 = L21I1                                                    (9.7)

При изменении силы тока I1, в первом контуре поток Ф21будет меняться и во втором контуре возникает Э.Д.С. индукции Е2, величина которой   

Коэффициент L21 будет постоянен, если размеры и положение контуров не меняется. Тогда:

,

откуда:                                                                                            (9. 8)

     Проводник с током всегда окружен магнитным полем, которое появляется и исчезает одновременно с появлением и исчезновением тока. Магнитное поле, как и электрическое, является носителем энергии. На создание магнитного поля тратится часть энергии тока, поэтому можно предположить, что энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля. Рассмотрим контур, по которому течет ток . Контур имеет индуктивность L. Если ток в контуре изменится на dI, то сцепленный с ним поток изменится на dФ = L dI, при этом будет совершена работа dА =  dФ = L dI. Работа по созданию потока Ф равна :

                                               .                                              (9.9)

Энергия магнитного поля, связанного с контуром

                                                                  W = LI2/2                                        (9. 10)

Вычислим энергию однородного магнитного поля внутри длинного соленоида.

Известно, что:

                                                    L = 0 n2 V,   B = 0Н,     Н = nI  .

Подставив значение L и I в (9.10), получим:

                                                                        (9.11)

где V = S · — объем соленоида. Энергия локализована внутри соленоида и распределена с постоянной плотностью .   Итак,

                                         .                                       (9.12)

Осн. 2[ 114-148, 181-198], 7[226-245,  275-288], 8 [ 204-235].

Доп. 22 [ 133-153,206-233], 48 [ 183-194, 217-235].

Контрольные вопросы:

1. Как рассчитать магнитную индукцию поля постоянного тока?

2. В каких случаях магнитную индукцию удобно находить, основываясь на законе полного тока?

3.Чему равна индукция магнитного поля в центре кругового витка с током?

4. Какая связь между законом электромагнитной индукции и законом сохранения энергии?

5. Каков физический смысл индуктивности проводящего контура и взаимной индуктивности двух контуров?

Явление электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем в 1831 г. Это явление заключается в том, что если проводящий контур (проводник) поместить в переменное магнитное поле, то в контуре возникает электродвижущая сила индукции (ЭДС индукции). Если такой контур будет замкнут, то в нем потечет электрический ток, который называют током индукции.

Индукционный ток возникает в контуре, если он или его часть пересекает линии магнитной индукции, такой вывод сделал Фарадей. Магнитное поле – это вихревое поле, его линии всегда замкнуты. Линии индукции сцеплены с проводящим контуром. Изменение количества линий индукции, которые охвачены контуром, возникает, если они пересекают контур.

Значение явления электромагнитной индукции заключается в том, что оно показывает связь между электрическим и магнитными полями. Электрические токи порождают магнитные поля, а переменные магнитные поля вызывают токи.

Закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции получен М. Фарадеем, современную формулировку данного закона мы знаем в интерпретации Максвелла.

ЭДС электромагнитной индукции () в контуре, помещенном в переменное магнитное поле, равна по величине скорости изменения магнитного потока (), который проходит через поверхность, которую ограничивает рассматриваемый контур. При этом знаки ЭДС и скорости изменения магнитного потока противоположны.

В системе международных единиц (СИ) закон электромагнитной индукции записывают так:

   

где – скорость изменения магнитного потока сквозь площадь, которую ограничивает контур. (Часто индекс у магнитного потока опускают и обозначают его Ф). Когда вычисляют ЭДС индукции и магнитный поток, учитывают то, что направление нормали к плоскости контура () и направление его обода связаны. Вектор должен быть направлен так, чтобы из его конца обход контура проходил против часовой стрелки.

Если контур составлен из N витков, соединенных последовательно (имеем соленоид), то закон электромагнитной индукции записывают как:

   

где величина называется потокосцеплением.

Знак минус в законе (1) отображает закон Ленца, который говорит о том, что ток индукции всегда направлен так, что созданный им магнитный поток, через поверхность, ограничиваемую контуром, старается уменьшить изменения магнитного потока, которые вызывают возникновение этого тока.

Магнитный поток, который охватывает контур, способен изменяться, если контур перемещается в поле или повергается деформации, магнитное поле может изменяться во времени. Величина , являясь полной производной, способна учесть все эти причины.

При движении контура в постоянном магнитном поле, ЭДС индукции возникает во всех частях контура, которые пересекают линии магнитной индукции поля. Результирующую ЭДС находят как алгебраическую сумму ЭСД участков.

Примеры решения задач

Электромагнитная индукция — Energy Education

Рис. 1. Одно из первых устройств Майкла Фарадея для демонстрации индукции. [1]

Электромагнитная индукция — это производство электродвижущей силы (ЭДС), возникающей в результате относительного движения между магнитным полем и проводником. Он был открыт в 1831 году Майклом Фарадеем, [2] и закладывает основу для выработки электроэнергии на электростанциях, электродвигателях и схемах переменного тока, которые питают электросети, трансформаторы и многие другие явления.

Уравнение, математически описывающее электромагнитную индукцию, — это Закон Фарадея , который гласит, что любое изменение магнитной среды витого провода вызывает индуцирование напряжения (ЭДС). [3] Фарадей нашел много способов для этого, например, изменение напряженности магнитного поля, перемещение магнита через катушку с проволокой и перемещение катушки через магнитное поле, и это лишь некоторые из них. Напряжение (ЭДС), генерируемое в катушке с проволокой, можно описать следующим уравнением: [3]

[математика] EMF = -N \ frac {\ Delta (BA)} {\ Delta t} [/ math]

где

  • [math] N [/ math] — количество витков в проводе.
  • [math] \ Delta (BA) [/ math] — изменение магнитного потока.
  • [math] \ Delta t [/ math] — это изменение во времени

Способы, которые Фарадей нашел для изменения этого потока, как указано выше, могут быть представлены в этом уравнении.Причина, по которой это уравнение является отрицательным, заключается в законе Ленца, который требует, чтобы любое изменение магнитного потока воспроизводилось проводом с одинаковой силой, но в противоположном направлении.

Закон Фарадея важен для многих электромагнитных приложений в мире, включая автомобили. Система зажигания в двигателе внутреннего сгорания автомобиля потребляет от аккумулятора всего 12 вольт и увеличивает его до 40000 вольт! Посетите Hyperphysics, чтобы узнать, как это сделать.

PhET Моделирование индукции

PhET любезно позволил нам использовать их модели, а приведенное ниже демонстрирует закон электромагнитной индукции Фарадея.Видно, что напряжение изменяется по мере изменения магнитного потока через него.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

13: Электромагнитная индукция — Physics LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
Без заголовков

В этой и нескольких следующих главах вы увидите удивительную симметрию в поведении, которое демонстрируют изменяющиеся во времени электрические и магнитные поля.Математически эта симметрия выражается дополнительным членом в законе Ампера и другим ключевым уравнением электромагнетизма, называемым законом Фарадея. Мы также обсуждаем, как движение провода через магнитное поле создает ЭДС или напряжение.

  • 13.1: Прелюдия к электромагнитной индукции
    Мы рассматривали электрические поля, создаваемые фиксированным распределением заряда, и магнитные поля, создаваемые постоянными токами, но электромагнитные явления не ограничиваются этими стационарными ситуациями. Фактически, большинство интересных приложений электромагнетизма зависят от времени. Чтобы исследовать некоторые из этих приложений, мы удалим сделанное нами не зависящее от времени предположение и позволим полям изменяться со временем.
  • 13.2: Закон Фарадея
    ЭДС индуцируется, когда магнитное поле в катушке изменяется путем проталкивания стержневого магнита внутрь или из катушки. ЭДС противоположных знаков создаются движением в противоположных направлениях, а направления ЭДС также меняются на противоположные за счет изменения полюсов.Те же результаты будут получены, если перемещать катушку, а не магнит — важно относительное движение. Чем быстрее движение, тем больше ЭДС, и когда магнит неподвижен относительно катушки, ЭДС отсутствует.
  • 13.3: Закон Ленца
    Направление индуцированной ЭДС движет ток по проволочной петле, чтобы всегда противодействовать изменению магнитного потока, вызывающему ЭДС. Закон Ленца также можно рассматривать с точки зрения сохранения энергии.Если толкание магнита в катушку вызывает ток, энергия в этом токе должна исходить откуда-то. Если индуцированный ток вызывает магнитное поле, противодействующее увеличению поля магнита, который мы втолкнули, тогда ситуация ясна.
  • 13,4: ЭДС движения
    Магнитный поток зависит от трех факторов: силы магнитного поля, площади, через которую проходят силовые линии, и ориентации поля с площадью поверхности. Если какая-либо из этих величин изменяется, происходит соответствующее изменение магнитного потока.До сих пор мы рассматривали только изменения потока из-за изменяющегося поля. Теперь мы рассмотрим другую возможность: изменение области, через которую проходят силовые линии, включая изменение ориентации области.
  • 13,5: Индуцированные электрические поля
    Тот факт, что ЭДС индуцируются в цепях, означает, что работа выполняется с электронами проводимости в проводах. Что может быть источником этой работы? Мы знаем, что это не батарея и не магнитное поле, поскольку батарея не обязательно должна присутствовать в цепи, в которой индуцируется ток, а магнитные поля никогда не действуют на движущиеся заряды.Ответ заключается в том, что источником работы является электрическое поле, индуцируемое в проводах.
  • 13.6: Вихревые токи
    ЭДС движения индуцируется, когда проводник движется в магнитном поле или когда магнитное поле движется относительно проводника. Если двигательная ЭДС может вызвать ток в проводнике, мы называем этот ток вихревым током.
  • 13.7: Электрогенераторы и обратная ЭДС
    С помощью закона Фарадея можно понять множество важных явлений и устройств.В этом разделе мы рассмотрим два из них: электрические генераторы и электродвигатели.
  • 13.8: Применение электромагнитной индукции
    В современном обществе существует множество приложений закона индукции Фарадея, что мы исследуем в этой и других главах. В этой связи позвольте нам упомянуть несколько, которые включают запись информации с использованием магнитных полей.
  • 13.A: Электромагнитная индукция (ответы)
  • 13.E: Электромагнитная индукция (упражнения)
  • 13.S: Электромагнитная индукция (резюме)

Фарадей и электромагнитная теория света

Майкл Фарадей (22 сентября 1791 — 25 августа 1867), вероятно, наиболее известен своим открытием электромагнитной индукции, его вкладом в электротехнику и электрохимию или тем, что он отвечал за введение концепции поля в физике. описать электромагнитное взаимодействие.Но, возможно, не так хорошо известно, что он также внес фундаментальный вклад в электромагнитную теорию света .

В 1845 году, всего 170 лет назад, Фарадей обнаружил, что магнитное поле влияет на поляризованный свет — явление, известное как магнитооптический эффект или эффект Фарадея. Чтобы быть точным, он обнаружил, что плоскость колебаний луча линейно поляризованного света, падающего на кусок стекла, вращалась, когда магнитное поле было приложено в направлении распространения луча.Это было одним из первых указаний на связь электромагнетизма и света. В следующем году, в мае 1846 года, Фарадей опубликовал статью Мысли о вибрациях лучей , пророческую публикацию , в которой он предположил , что свет может быть вибрацией электрических и магнитных силовых линий.

Майкл Фарадей (1791-1867) / Источники: Wikipedia

Случай Фарадея нечасто встречается в истории физики: хотя его обучение было очень простым, законы электричества и магнетизма в гораздо большей степени связаны с экспериментальными открытиями Фарадея, чем с любыми другими учеными.Он открыл электромагнитную индукцию , что привело к изобретению динамо-машины, предшественницы электрического генератора. Он объяснил электролиз с точки зрения электрических сил, а также представил такие концепции, как поле, и силовые линии, , которые не только были фундаментальными для понимания электрических и магнитных взаимодействий, но и легли в основу дальнейших достижений в физике.

Майкл Фарадей родился в Южном Лондоне в скромной семье.Единственное базовое формальное образование, которое он получил в детстве, — это чтение, письмо и арифметика. Он бросил школу, когда ему было тринадцать, и начал работать в переплетном магазине. Его страсть к науке была пробуждена описанием электричества , которое он прочитал в копии Британской энциклопедии , которую он подписывал, после чего он начал экспериментировать в импровизированной лаборатории. 1 марта 1813 года Фарадей был нанят лаборантом Хэмфри Дэви в Королевском институте в Лондоне, членом которого он был избран в 1824 году и где он проработал до своей смерти в 1867 году сначала помощником Дэви, затем его сотрудником и, наконец, , после смерти Дэви, как его преемник.Фарадей произвел на Дэви такое впечатление, что когда последнего спросили о его величайшем открытии, Дэви ответил: «Моим величайшим открытием был Майкл Фарадей». В 1833 году он стал первым фуллеровским профессором химии в Королевском институте. Фарадей также признан великим популяризатором науки. В 1826 году Фарадей основал в Королевском институте «Пятничные вечерние лекции», которые являются каналом связи между учеными и непрофессионалами. В следующем году он запустил Рождественские лекции для молодежи, которые ежегодно транслируются по национальному телевидению, серию, цель которой — представить науку широкой публике.Многие из этих лекций читал сам Фарадей. Оба они продолжаются по сей день.

Майкл Фарадей читает рождественскую лекцию в Королевском институте в 1856 г. / Источники: Википедия

Фарадей сделал свое первое открытие электромагнетизма в 1821 г. Он повторил эксперимент Эрстеда , поместив небольшой магнит вокруг токоведущего провода и убедившись, что сила, действующая со стороны ток на магните был круговым. Как он объяснил много лет спустя, провод был окружен бесконечной серией круговых концентрических силовых линий , которые он назвал магнитным полем тока. Он взял работу Эрстеда и Ампера о магнитных свойствах электрических токов в качестве отправной точки и в 1831 году получил электрический ток от изменяющегося магнитного поля, явление, известное как электромагнитная индукция . Он обнаружил, что, когда через катушку пропускают электрический ток, в соседней катушке генерируется еще один очень короткий ток. Это открытие ознаменовало решающую веху в прогрессе не только науки, но и общества , и сегодня оно используется для производства электроэнергии в больших масштабах на электростанциях.Это явление открывает кое-что новое об электрических и магнитных полях. В отличие от электростатических полей, создаваемых электрическими зарядами в состоянии покоя, циркуляция которых по замкнутому пути равна нулю (консервативное поле), циркуляция электрических полей, создаваемых магнитными полями, происходит по замкнутому пути, отличному от нуля. Эта циркуляция, которая соответствует индуцированной электродвижущей силе, равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через поверхность, граница которой представляет собой проволочную петлю ( закон индукции Фарадея ).Фарадей изобрел первый электродвигатель, первый электрический трансформатор, первый электрический генератор и первую динамо-машину, поэтому Фарадея можно без всяких сомнений назвать отцом электротехники .

Фарадей отказался от теории жидкости для объяснения электричества и магнетизма и ввел концепции поля и силовых линий , отойдя от механистического объяснения природных явлений, таких как действия Ньютона на расстоянии. Введение Фарадеем концепции поля в физику, возможно, является его наиболее важным вкладом и было описано Эйнштейном как великое изменение в физике , потому что оно предоставило электричеству, магнетизму и оптике общую основу физических теорий.Однако силовые линии Фарадея не были приняты до тех пор, пока несколько лет спустя не появился Джеймс Клерк Максвелл.

Как отмечалось в начале этой статьи, другим и, возможно, менее известным эффектом, обнаруженным Фарадеем, было влияние магнитного поля на поляризованный свет, явление, известное как эффект Фарадея или магнитооптический эффект . Пытливый ум Фарадея не удовлетворился простым открытием взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. Он также хотел определить, влияют ли магнитные поля на оптические явления. Он верил в единство всех сил природы, в особенности света, электричества и магнетизма. 13 сентября 1845 года он обнаружил, что плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается, когда этот свет проходит через материал, к которому приложено сильное магнитное поле в направлении распространения света. Фарадей написал в абзаце № 7504 своей книги « Dairy :

».

«Сегодня работал с магнитными силовыми линиями, пропуская их через разные тела (прозрачные в разных направлениях) и в то же время пропуская через них поляризованный луч света (…) на поляризованном луче производился эффект, и, таким образом, магнитный доказано, что сила и свет связаны друг с другом ».

Это, безусловно, было первым явным указанием на то, что магнитная сила и свет связаны друг с другом, а также показало, что свет связан с электричеством и магнетизмом. В связи с этим явлением Фарадей также писал в том же абзаце:

.

«Этот факт, скорее всего, окажется чрезвычайно плодотворным и очень ценным при исследовании обоих условий естественной силы».

Он не ошибся. Этот эффект является одним из краеугольных камней электромагнитной теории света.

Вращение поляризации из-за эффекта Фарадея / Источники: адаптировано из Википедии

В выступлении королевского института в пятницу вечером, проведенном в апреле 1846 года, Фарадей предположил, что свет может быть некоторой формой возмущения, распространяющегося вдоль силовых линий . На самом деле именно в эту пятницу Чарльз Уитстон должен был выступить с докладом о своем хроноскопе. Однако в последнюю минуту у Уитстона случился приступ страха перед сценой, и Фарадей выступил с речью Уитстона.Так как он закончил раньше времени, он заполнил оставшиеся минуты, раскрывая свои мысли о природе света . Речь Фарадея была опубликована в том же году в журнале Philosophical Magazine под заголовком Мысли о лучевых вибрациях . Фарадей даже осмелился поставить под сомнение существование светоносного эфира — научная ересь в то время — который должен был быть средой для распространения света, как так элегантно Френель описал в своей волновой теории света.Он предположил, что свет может быть результатом не колебаний эфира, а колебаний физических силовых линий. Фарадей попытался исключить эфир, но он сохранил вибрации. Почти извиняющимся тоном Фарадей заканчивает свою статью, указав:

«Я думаю, что вполне вероятно, что я сделал много ошибок на предыдущих страницах, потому что даже мне мои идеи по этому поводу кажутся лишь тенью спекуляции ».

Однако эта идея Фарадея была воспринята со значительным скептицизмом и отвергалась всеми до тех пор, пока в 1865 году не была опубликована статья Максвелла под названием Динамическая теория электромагнитного поля .В этой статье Максвелл не только описывает свою основополагающую электромагнитную теорию света — одну из вех, отмеченных в этом Международном году света 2015 — но также приписывает идеи, которые в конечном итоге легли в основу его теории, мыслям Фарадея о лучевых вибрациях . На странице 466 своей статьи со скромностью, всегда свойственной Максвеллу, он ссылается на статью Фарадея 1846 года следующим образом:

«Концепция распространения поперечных магнитных возмущений за исключением нормальных четко изложена профессором Фарадеем в его« Мыслях о лучевых колебаниях ».Электромагнитная теория света, предложенная им [Фарадеем], по сути та же, что и та, которую я начал развивать в этой статье, за исключением того, что в 1846 году не было данных для расчета скорости распространения ».

И на странице 461 своей статьи 1865 года Максвелл также упоминает о магнитооптическом эффекте, заявляя:

«Фарадей обнаружил, что когда плоско поляризованный луч пересекает прозрачную диамагнитную среду в направлении линий магнитной силы, создаваемых соседними магнитами или токами, плоскость поляризации вращается».

Всего Майкл Фарадей цитируется шесть раз и трижды упоминается в статье Максвелла 1865 года. Однако это неудивительно, учитывая, что большая часть работ Максвелла основана на работах Фарадея, и Максвелл математически смоделировал большинство открытий Фарадея по электромагнетизму в теорию, которую мы знаем сегодня.

Электромагнитные волны, о существовании которых Фарадей размышлял в 1846 году в своих мыслях о лучевых колебаниях , и которые были математически предсказаны Максвеллом в 1865 году, наконец, были получены в лаборатории Герца в 1888 году.Остальное уже история. Ясно, что Максвелл открыл дверь в физику двадцатого века, но не менее ясно, что Фарадей дал Максвеллу некоторые из ключей, которые он использовал.

В 1676 году Ньютон послал своему сопернику Гуку письмо, в котором написал: «Если я и видел дальше, то это было то, что он стоял на плечах гигантов» (*). Двести пятьдесят лет спустя, во время одного из визитов Эйнштейна в Кембридж, Великобритания, кто-то заметил: «Вы сделали великие дела, но стоите на плечах Ньютона». Эйнштейн ответил: «Нет, я стою на плечах Максвелла».Если бы кто-то сказал то же самое Максвеллу, он, вероятно, сказал бы, что стоял на плечах Фарадея .

(*) Хотя это предложение интерпретируется некоторыми авторами как саркастическое замечание, направленное на горбатую внешность Гука, в настоящее время эта фраза обычно используется в положительном ключе. Комментарий Ньютона — это заявление о том, что наука представляет собой серию постепенных достижений, в основе которых лежат уже достигнутые ранее (см., Например, книгу Стивена Хокинга под названием На плечах гигантов ).

Аугусто Белендес

Профессор прикладной физики Университета Аликанте (Испания) и член Королевского физического общества Испании

Библиография

  • A. Díaz-Hellín, Faraday: El gran cambio en la Física (Nívola. Madrid, 2001).
  • Ордоньес, В. Наварро и Х. М. Санчес Рон, Historia de la ciencia (Espasa Calpe. Madrid, 2013).
  • Форбс и Б. Махон, Фарадей, Максвелл и электромагнитное поле: как два человека революционизировали физику (Prometheus Books.Нью-Йорк, 2014).
  • Зайонц, Улавливая свет: переплетенная история света и разума (Oxford University Press, Нью-Йорк, 1995)
  • Хокинг, На плечах гигантов: великие труды по физике и астрономии (Running Press. Philadelphia, 2002)
  • Мансурипур, Классическая оптика и ее приложения (Издательство Кембриджского университета. Кембридж, 2002)

индукция | Infoplease

индукция, электричество и магнетизм, общее название для трех различных явлений.Электромагнитная индукция — это производство электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике в результате изменения магнитного поля вокруг проводника и является наиболее важным из трех явлений. Он был открыт в 1831 году Майклом Фарадеем и независимо Джозефом Генри. Изменение поля вокруг проводника может быть вызвано относительным движением между проводником и источником магнитного поля, как в электрическом генераторе, или изменением напряженности всего поля, так что поле вокруг проводника также изменяется. .Поскольку магнитное поле создается вокруг проводника с током, такое поле можно изменить, изменив ток. Таким образом, если проводник, в котором должна индуцироваться ЭДС, является частью электрической цепи, индукция может быть вызвана изменением тока в этой цепи; это называется самоиндукцией. Индуцированная ЭДС всегда такова, что противодействует вызывающему ее изменению, согласно закону Ленца. Изменение тока в данной цепи может также вызвать ЭДС в другой, соседней цепи, не связанной с исходной схемой; Этот тип электромагнитной индукции, называемый взаимной индукцией, лежит в основе трансформатора.Электростатическая индукция — это образование несбалансированного электрического заряда на незаряженном металлическом теле в результате того, что заряженное тело подносят к нему, не касаясь его. Если заряженное тело заряжено положительно, электроны незаряженного тела будут притягиваться к нему; если затем заземлить противоположный конец тела, электроны будут течь на него, чтобы заменить электроны, притянутые к другому концу, тело, таким образом, приобретает отрицательный заряд после разрыва заземления. Аналогичную процедуру можно использовать для создания положительного заряда на незаряженном теле, когда к нему подносят отрицательно заряженное тело.Смотрите электричество. Магнитная индукция — это создание магнитного поля в куске немагнитного железа или другого ферромагнитного вещества при приближении к нему магнита. Магнит заставляет отдельные частицы железа, которые действуют как крошечные магниты, выстраиваться в линию, так что образец в целом становится намагниченным. Большая часть этого наведенного магнетизма теряется при удалении вызывающего его магнита. См. Магнетизм.

Колумбийская электронная энциклопедия, 6-е изд. Авторское право © 2012, Columbia University Press.Все права защищены.

Дополнительные статьи в энциклопедии: Электротехника

Преподавание и изучение магнитного поля и явлений электромагнитной индукции интегрированное образование в области науки, технологии, инженерии и математики (STEM) во вьетнамских средних школах

Международное ежегодное собрание по STEM-образованию (I AM STEM) 2018

IOP Conf. Серия: Физический журнал: конф. Series 1340 (2019) 012031

IOP Publishing

doi: 10.1088 / 1742-6596 / 1340/1/012031

2

Проектное обучение, обучение через игры и особенно обучение через практику — это полностью

прикладных интегрированных предмета STEM. Студенты, которые следуют подходу STEM, обладают выдающимися

преимуществами, такими как: твердые знания в области науки, технологий, инженерии и математики; креативность,

логическое мышление, отличная успеваемость в учебе и работе. Кроме того, у них есть возможность

более всесторонне развивать мягкие навыки, не чувствуя себя перегруженными [1-7].Для старшеклассников

, посещающие курсы STEM, также положительно влияют на выбор будущей карьеры. При комплексном изучении разнообразных знаний

студенты будут активно получать удовольствие от обучения, а не бояться

или избегать определенной области. Это, таким образом, будет побуждать их лучше ориентироваться при выборе специальностей для получения высшего образования и уверенности в будущей карьере.

На сегодняшний день во Вьетнаме STEM-образование не только изучается и развивается в университетах, но и

уже продвинулось в средних школах [9].Исследования в области STEM-образования проводились на физическом факультете

Педагогического университета Тай Нгуен. Прежде всего, STEM-образование разработано

для обучения студентов тому, как применять STEM-обучение в средних школах [7]. Уроки физики будут интересными,

увлекательными и помогут ученикам лучше понять, если обучение будет связано с визуализацией и активным

обучением. Навыки и знания в области науки, технологий, инженерии и математики (называемые навыками

STEM) должны быть интегрированы, дополнены друг другом, чтобы помочь учащимся не только понять принципы

, но и уметь применять их на практике и создавать продукты в повседневной жизни.По сравнению с

с естественными науками, физика является предметом, который тесно связан с математическим, технологическим,

техническим и научным содержанием, поэтому образование, ориентированное на STEM в преподавании физики, имеет очень благоприятные условия

. STEM-образование направлено на развитие следующих конкретных способностей по каждому предмету для

студентов:

i. Критическое мышление и навыки решения проблем

ii. Навыки общения и сотрудничества

iii.Творчество и навыки открытия

iv. Культура, информационные и коммуникационные технологии

v. Способность выполнять проектные задачи

vi. Вместимость презентаций

В этой работе мы разработали процесс обучения некоторым предметам, ориентированным на STEM, «Магнитное поле

» в 11 классе физики, чтобы повысить активность, тренировать навыки и развивать способности для

учеников

2. Методология

2.1. Процесс обучения физике в рамках STEM-образования

STEM-образование использует практический и экспериментальный подходы; Таким образом, следуя методу STEM

, студенты смогут использовать материалы для создания продуктов, которые позволят им развивать

свои компетенции в области естественных наук, инженерии, технологий и математики для приобретения знаний.

Изучая теорию активного преподавания и преподавание STEM, мы предложили процесс

преподавания физики, связанный с образованием STEM, который включает этапы, показанные на рисунке 1.

Этапы преподавания физики интегрированным STEM подробно описаны в следующих шагах:

Этап 1: Выберите темы STEM

Темы STEM в обучении — это вопросы, связанные с проектированием и производством продуктов

, связанных со знаниями физики в средней школе. Темы STEM должны иметь тесную связь с реальностью,

решать практические задачи, служить повседневной жизни или развлекать учащихся.

Этап 2: Определение задач STEM

На основе тем STEM студентов просят определить задачи STEM, которые необходимо решить

Этап 3: Изучение документов и материалов STEM

После получения заданий STEM студенты изучают документы STEM, чтобы что они могут четко

определить идеи и методы получения результатов, а также узнать о содержании соответствующих знаний физики

из тем STEM.

комментарий к Фарадею (1832 г.) «Экспериментальные исследования электричества»

Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2015 Apr 13; 373 (2039): 20140208.

Физический факультет Университета Суррея, Гилфорд, Суррей, Великобритания

© 2015 Авторы. Опубликовано Королевским обществом в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/, которая разрешает неограниченное использование при условии указания автора и источника.

Abstract

История науки наполнена примерами ключевых открытий и прорывов, которые были опубликованы в виде знаковых текстов или журнальных статей, и по которым можно проследить истоки целых дисциплин.К таким публикациям, меняющим парадигму, относятся De Revolutionibus orbium coelestium Коперника (1543), Philosophi Naturalis Principia Mathematica Исаака Ньютона (1687) и статьи Альберта Эйнштейна по теории относительности (1905 и 1915). Статья Майкла Фарадея об электромагнитной индукции 1832 года занимает достойное место среди этих работ и в некотором смысле может рассматриваться как оказавшая почти немедленное влияние на преобразование нашего мира в самом реальном смысле больше, чем любая из других перечисленных. Здесь мы рассмотрим статус предмета — взаимосвязь между магнетизмом и электричеством как до, так и после статьи Фарадея, а также углубимся в детали ключевых экспериментов, которые он провел в Королевском институте, и ясно очерчивая, как он открыл процесс электромагнитной индукции, посредством чего электрический ток может протекать через проводник, который испытывает изменяющееся магнитное поле.Его идеи не только позволили бы Максвеллу позже развить его теорию классического электромагнетизма, но и непосредственно привели бы к развитию электрического динамо и электродвигателя, двух технологических достижений, которые являются самой основой современного мира. Этот комментарий был написан в ознаменование 350-летия журнала Philosophical Transactions of the Royal Society .

Ключевые слова: электромагнетизм, индукция, динамо, электродвигатель

1.Электромагнетизм до Фарадея

Начало девятнадцатого века было захватывающим временем для экспериментальной физики. Это было также время большой путаницы в отношении природы электричества. Работа двух итальянцев, Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта по характеристикам биоэлектричества привела к тому, что Вольта изобрел батарею в 1799 году. Его «гальваническая батарея» неожиданно дала натурфилософам (термин «ученые» появился только в 1834 г. 1 ), надежный и гораздо более полезный источник электричества, чем лейденские банки или все более совершенные электростатические машины, превративший предмет из интеллектуального любопытства в настоящую науку.В самом прямом смысле слова стимулировали науку , которая, конечно же, является источником этого повседневного слова.

В частности, многих ученых так увлекла запутанная связь между электричеством и магнетизмом. Действительно, некоторые утверждали, что между этими двумя явлениями нет никакой связи, хотя с середины восемнадцатого века было известно, что, например, удары молнии создают определенные магнитные эффекты.

Затем, в 1820 году, датский ученый Ганс Кристиан Эрстед провел эксперимент, в котором ему приписывают открытие электромагнетизма.21 апреля 1820 года он заметил, готовясь к лекции, что, когда он пропустил электрический ток по проводу, расположенная рядом стрелка компаса временно отклонилась от своего стабильного положения, указывающего на магнитный север. Это произошло в тот момент, когда ток от батареи был включен, а затем снова, когда он был выключен, тем самым подтверждая прямую связь между электричеством и магнетизмом, а именно то, что изменение электрического тока (от отсутствия до текущего и наоборот ) создавал временный магнитный эффект в непосредственной близости от него.

Отчет об открытии Эрстеда содержится в письме, которое его коллега Кристофер Ханстин написал Майклу Фарадею много лет спустя:

Эрстед попытался разместить провод своей гальванической батареи перпендикулярно (под прямым углом) над магнитной иглой, но не заметил заметного движения. Однажды, после окончания своей лекции, поскольку он использовал сильную гальваническую батарею для других экспериментов, он сказал: «Давайте теперь, когда батарея активна, попробуем провести провод параллельно игле».Когда это было сделано, он был весьма озадачен, увидев, что стрелка совершает сильные колебания (почти под прямым углом к ​​магнитному меридиану). Затем он сказал: «Давайте теперь изменим направление тока», и стрелка отклонилась в противоположном направлении. 2

Первоначальная интерпретация Эрстеда заключалась в том, что магнитные эффекты, создаваемые током через провод, излучаются наружу так же, как тепло или свет. Но после дальнейших экспериментов он показал, что на самом деле создаваемое магнитное поле вращается вокруг провода (хотя, конечно, никто еще не думал в терминах полей).

Через несколько месяцев после открытия Эрстеда французский физик и математик Андре-Мари Ампер показал, что два токоведущих провода, помещенные параллельно близко друг к другу, генерируют магнитные силовые линии, которые заставляют провода притягиваться или отталкиваться друг от друга в зависимости от от того, текут ли токи в одном или в противоположных направлениях. Ампер продолжал помогать основать область классического электромагнетизма, и в его честь была названа единица измерения электрического тока в системе СИ.

Ампер и Эрстед показали, что электричество каким-то образом можно преобразовать в магнетизм, но им и другим не удалось сделать обратное: создать электричество из магнетизма .

Не менее известный (в то время, хотя и менее известный сегодня) французский физик по имени Франсуа Араго затем провел эксперимент, который полностью сбил с толку большинство ученых в то время и послужил одной из главных мотиваций для великой работы Фарадея. В 1824 году Араго продемонстрировал, что вращающийся медный диск заставляет подвешенную над ним магнитную иглу вращаться.Этот результат примечателен по двум причинам. Во-первых, на медный диск не подавался внешний электрический ток, а, во-вторых, хотя медь является проводником, она не магнитная. И все же здесь было магнитное поле, которое, по-видимому, создавалось просто вращением этого диска, которое влияло на стрелку компаса. Чтобы описать происходящее, потребовались бы талант и изобретательность Майкла Фарадея, и в серии тщательно и четко описанных экспериментов в период с августа по ноябрь 1831 года он изменил облик науки таким образом, чтобы это повлияло на нашу жизнь. и по сей день.

2. Ранние годы жизни

Майкл Фарадей родился в 1791 году в Ньюингтон-Баттс, сейчас в Южном Лондоне, но тогда не более чем в деревне в сельской местности Суррея. Он был сыном кузнеца, который переехал из Камбрии на северо-западе Англии незадолго до рождения Майкла. Его семья была не в достатке, и Фарадей получил типичное образование рабочего класса, которое он компенсировал чтением всех книг, которые мог достать, — страсть, которую он подпитывал, став учеником переплетчика и книготорговца в возрасте 14 лет. .Его растущее увлечение наукой привело в 1812 году к событию, которое изменило его жизнь и ход истории человечества: любезный посетитель книжного магазина предложил юному Фарадею билеты на серию лекций, прочитанных великим Хамфри Дэви в университете. Королевский институт, основанный несколькими годами ранее. Когда он представил Дэви обильные записи, которые он делал во время лекций, великий человек был так впечатлен, что взял его в качестве своего лаборанта. 3 В следующем году Фарадей путешествовал с Дэви по Европе, где он мог бы увидеть и услышать многих ведущих мыслителей своего времени [4].Когда в 1820 году он услышал об эксперименте Эрстеда, он решил провести собственное исследование природы электромагнетизма.

Недостаток формальной научной подготовки, особенно в математике, Фарадею компенсировал его исключительный талант экспериментатора. И хотя изначально он с недоверием относился к математике, считая ее препятствием, а не помогающим нашему пониманию работы Природы, позже в жизни он изменил свою точку зрения в свете работ Джеймса Клерка Максвелла.Фактически, сам Максвелл считал Фарадея прекрасным теоретиком и утверждал, что это было причиной того, что он смог изложить теории Фарадея языком аналитической математики. Важно отметить, что на самом деле в исследованиях Фарадея неразрывно связаны три концепции: электрический ток, магнитное поле и механическое движение, и именно взаимодействие между этими тремя понятиями является постоянной темой всей его работы. В сентябре 1821 года он построил устройство, которое можно считать первым электродвигателем.Он показал, что подвешенный провод, свободно висящий в контейнере с ртутью с постоянным магнитом в его центре, будет вращаться вокруг магнита, когда через него пройдет электрический ток (с проводящей ртутью, замыкающей цепь).

С помощью этой красивой простой установки Фарадей продемонстрировал то, что он назвал «электромагнитным вращением» — он использовал электричество и магнетизм для создания движения, обобщение принципа Эрстеда — и открыл принцип, лежащий в основе электродвигателя [5].Идея заключалась в том, что ток, проходящий через провод, создавал вокруг него магнитное поле, которое взаимодействовало с полем магнита, толкая провод круговыми движениями все время, пока течет ток.

Это раннее открытие так взволновало Фарадея, что он провел следующее десятилетие, то и дело пытаясь понять физику, лежащую в основе электромагнетизма. В то время он описал в своем дневнике ряд неудачных экспериментов, в которых пытался продемонстрировать то, что он назвал «электромагнитной индукцией». 4 Но его исследования, последовавшие за работами Эрстеда, Ампера и Араго, были временно приостановлены между 1825 и 1830 годами, когда он по указанию Дэви занялся поиском способов улучшения качества оптического стекла, используемого для линз. . Все изменилось во второй половине 1831 года, который завершился подготовкой статьи, которую мы теперь можем описать. Создав непрерывное механическое движение из магнетизма и электричества (электродвигатель), сцена была настроена для генерации электричества из механического движения и магнетизма (электрическое динамо или генератор) — открытие, которое изменило наш мир.

Напомним, что главной мотивацией Фарадея было «преобразовать магнетизм в электричество» [6], и именно диск Араго стал стартовой площадкой для его прекрасных экспериментов. Что делает его работы такими замечательными для чтения сегодня, так это ясность и точность его описаний. Уильям Генри Брэгг, который намного позже стал директором исследовательской лаборатории Дэви-Фарадея в Королевском институте в 1923 году, написал в предисловии к книге о Фарадее, посвященной столетию со дня его открытия:

Фарадей имел обыкновение описывать каждый эксперимент во всех подробностях и подробностях в тот день, когда он проводился.Во многих записях обсуждаются последствия, которые он мог бы извлечь из того, что он наблюдал. В других случаях они описывают предлагаемый курс исследования, которое будет проводиться. Таким образом, Дневник — это гораздо больше, чем просто каталог результатов. Читатель может шаг за шагом проследить путь к окончательным и фундаментальным выводам. Он рассматривает формирование идеи, ее экспериментальную реализацию и использование как точку опоры для следующего шага вперед. [7]

3. Экспериментальные исследования в области электричества

Статья, которой посвящена данная статья, является первой и самой известной из тридцати статей, которые Фарадей написал и опубликовал в Philosophical Transactions Королевского общества между 1832 и 1856 гг. Под названием « экспериментальных исследований в области электричества» , каждое из которых продолжается там, где закончилось предыдущее.Этот первый доклад был зачитан Королевскому обществу 24 ноября 1831 года. 5 Однако примерно в это же время Королевское общество ввело новую процедуру рецензирования статей, представленных для публикации в его Philosophical Transactions , который должен был отложить появление статьи Фарадея в печати на несколько месяцев, к его большому разочарованию [8].

14 января 1832 года, обеспокоенный тем, что французы его избивают, он написал секретарю Королевского общества, призывая его попытаться ускорить процесс публикации, иначе эти философы могут получить некоторые из моих фактов в разговоре. , повторите их и опубликуйте от своего имени, пока я не уйду ». 6 Хотя точная дата появления бумаги в печати неизвестна, самое раннее свидетельство, которое у нас есть, — 9 апреля 1832 года. 7

Все эксперименты, описанные в статье, показали, что Изощренность, что ток может индуцироваться все время, когда существует относительное движение между проводником и магнитным полем. Оглядываясь назад и используя соответствующий язык, который мы используем сегодня, мы говорим, что ток индуцируется в проводнике, когда он находится внутри изменяющегося магнитного поля.Для этого не имеет значения, действительно ли движется проводящий провод или объект, создающий магнитное поле (либо постоянный магнит, либо другой провод с протекающим через него электрическим током).

Первый эксперимент, обсуждаемый Фарадеем в статье, демонстрирует простую индукцию, и его стоит здесь описать. Сначала 26 футов медной проволоки были намотаны на деревянный цилиндр в виде спирали. Изоляция отдельных шпилей и предотвращение их соприкосновения с помощью тонкого шпагата.Затем катушка с проволокой была покрыта слоем муслина (толстая хлопчатобумажная ткань, также называемая бязью — название, обычно использовавшееся в то время, в том числе Фарадеем). Затем поверх этого был намотан второй медный провод. Этот процесс повторялся, пока у него не было 12 витков провода, все изолированные друг от друга. Затем он соединил свободные концы всех четных катушек, чтобы получилась одна непрерывная длина, а также с нечетными катушками. Теперь у него было две спирали, концы одной из которых он подключил к гальванометру (устройство, изобретенное несколькими годами ранее для определения наличия электрического тока), а другую — к гальванической батарее.

Сначала Фарадей не заметил реакции гальванометра при включении батареи, но, экспериментируя с более длинными витыми проводами, разными материалами для проводящих проводов и более мощными батареями, он наконец смог вызвать небольшую реакцию в стрелке гальванометра. отклонение в одну сторону при включении аккумуляторной батареи и в другую при ее отключении. Теперь мы знаем этот эффект как электромагнитную индукцию — в том смысле, что изменения электрического тока в первом проводе и, следовательно, создаваемое им магнитное поле индуцировали ток, временно протекающий во втором проводе.

Затем он нашел гораздо более эффективный способ изменения магнитного поля: перемещая два провода, один из которых подключен к батарее, а другой — к гальванометру, по направлению друг к другу или от него. Стрелка гальванометра реагировала, вибрируя то в одну сторону, то в другую, синхронно с движением проводов взад и вперед. Но как только они остановились, стрелка гальванометра тоже показала отсутствие тока по второму проводу, хотя он продолжал непрерывно течь по первому.

Стоит отметить, что в этот момент Фарадей, как и другие исследователи того времени, все еще не понимал природу самого электричества. Он называет электричество, протекающее через провод из-за гальванической батареи, как вольтовое электричество , а влияние, которое оно оказывает на второй провод, как вольта-электрическая индукция . Он отличает это от электрического разряда из лейденской банки как электричество напряжения или обычное электричество .Только когда он построил первую клетку Фарадея в 1836 году, он начал думать об электричестве как о силе, а не как о жидкости.

Затем он переходит к гораздо более эффективной версии своего первого эксперимента, в котором он пытается индуцировать ток в катушке с проволокой за счет включения и выключения тока в другой катушке. На этот раз он использовал не намагниченное железное кольцо вместо оригинального деревянного цилиндра. Он намотал две катушки проволоки на противоположных сторонах кольца, очень осторожно изолировав их от самого кольца, и отделив каждую петлю проводов от соседних изолирующей нитью.Затем он подключил одну катушку к батарее, а другую — к гальванометру. При включении батареи «гальванометр сразу же пострадал, причем до степени, намного превышающей описанную» ([9], §28), и он снова сильно отклонился, когда батарея была выключена. Ясно, что временный ток генерировался во втором проводе каждый раз, когда он подключал и отключал батарею. Можно почти почувствовать волнение, как пишет Фарадей:

При использовании силы ста пар пластин [для создания как можно более мощной батареи из своей гальванической груды] с этим кольцом, импульс на гальванометре, когда контакт был завершен или разорван, был настолько велик, что игла быстро вращалась четыре или пять раз, прежде чем воздух и земной магнетизм смогли свести ее движение к простым колебаниям.([9], §31)

Индукционное кольцо Фарадея было, по сути, самым первым электрическим трансформатором. Он сохранился до наших дней и выставлен в музее Королевского института (). Несомненно, это остается одним из важнейших научных объектов истории науки.

Индукционное кольцо Фарадея (1831 г.). Изображение любезно предоставлено Королевским обществом / Библиотекой изображений науки и общества.

Затем Фарадей заметил, что при замене железного кольца на медное индуцированный ток был намного слабее, и это было похоже на то, когда спиральные провода вообще ни на что не наматывались.Очевидно, разница здесь в том, что железное кольцо помогало генерировать гораздо более сильный электромагнит, чего не могла сделать немагнитная медь.

Следующий шаг был важным. Фарадей понял, что должен быть «какой-то особый эффект, имеющий место во время образования магнита, а не просто его виртуальное приближение, что мгновенно индуцированный ток возбуждается» ([9], §39). Он провел эксперимент, который по сей день знаком в любом научном классе в мире.Он заменил проволочную спираль, соединенную с батареей и генерирующую магнитное поле, на простой постоянный стержневой магнит. Затем он взял полую катушку проволоки, концы которой подключил к гальванометру. Быстро воткнув магнит в катушку, увидел, что стрелка гальванометра отклонится. Если повернуть процесс вспять, вытащив магнит наружу, игла отклонится в противоположном направлении. Затем, постоянно перемещая стержневой магнит внутрь и из катушки, он мог заставить стрелку гальванометра колебаться из стороны в сторону синхронно с движением магнита.

Фарадей продолжил эксперименты с более мощными постоянными магнитами и электромагнитами разной силы, но основной принцип был тем же. Он торжествующе заявляет, что «различные эксперименты… я думаю, наиболее полно доказывают производство электричества из обычного магнетизма» ([9], §57). Он решает называть «действие, оказываемое обычными магнитами» как магнитоэлектрической индукцией , чтобы отличить ее от вольта-электрической индукции , создаваемой полем токоведущего провода.Что касается второго провода, который подвергается этой индукции, он описывает его как «находящееся в особом состоянии» сопротивления образованию в нем электрического тока и называет его находящимся в электротоническом состоянии . Но в этот момент он признает, что ему еще предстоит понять свойства материи, находящейся в этом состоянии, особенно потому, что он экспериментирует с различными проводящими материалами, такими как медь и серебро, которые сами по себе не являются магнитными.

Фарадей понял, что ему нужно найти способ создания изменяющегося магнитного поля, и продолжил разработку улучшенной версии эксперимента Араго с диском.Он установил медный диск на латунную ось, чтобы он мог свободно вращаться между двумя полюсами постоянного магнита. Затем он подключил диск к гальванометру, прикрепив один провод к его центру, а другой касаясь его обода (как на рисунке).

Вращающийся диск Фарадея — генерирует непрерывный электрический ток в проводящем диске, когда он вращается между двумя полюсами мощного постоянного магнита. Эта диаграмма взята из оригинальной статьи Фарадея [9]. Авторское право Королевское общество.

Затем, когда диск вращался, гальванометр регистрировал непрерывный ток, который явно должен был проходить в радиальном направлении через диск.Изменение направления вращения диска на противоположное привело к отклонению стрелки гальванометра в противоположном направлении, что означает изменение направления электрического тока.

Фарадей, как известно, заметил, что «Таким образом, здесь было продемонстрировано производство постоянного тока электричества обычными магнитами ([9], §90)». Его объяснение происходящего прекрасно ясно: «Если оконечный провод перемещается так для того, чтобы разрезать магнитную кривую, в действие вызывается сила, которая имеет тенденцию проталкивать через нее электрический ток »([9], §256). 8

С помощью этого эксперимента Фарадей смог показать, как магнитное поле и непрерывное механическое движение производят непрерывный электрический ток. Он изобрел электрический генератор.

Затем он присоединяет два провода, которые подключены к гальванометру, к разным точкам на ободе вращающегося диска и понимает, что индуцированный ток всегда направлен под прямым углом к ​​движению диска и что в этом случае поток электричества идет в радиальном направлении.

Затем Фарадей делает интересную и весьма примечательную попытку описать на более микроскопическом уровне то, что может происходить внутри металлов, несущих индуцированный электрический ток: «В электротоническом состоянии однородные частицы материи, по-видимому, приняли регулярное, но вынужденное электрическое расположение в направлении тока … этого вынужденного состояния может быть достаточно, чтобы элементарная частица покинула своего компаньона, с которым она находится в ограниченном состоянии, и присоединилась к соседней подобной частице, по отношению к которой она находится в более естественном состоянии »([9], §76).Обратите внимание, что он принимает здесь теорию электрического тока Ампера, но, если смотреть с точки зрения современной физики, нельзя не восхищаться его проницательностью; его описание предшествует более чем полувековой теории атома Больцмана и открытию Дж. Дж. Томсоном электрона, не говоря уже о понимании природы электричества как потока электронов.

Конечно, мы можем видеть, насколько далеко Фарадей и другие были в то время от понимания истинной природы электрического тока по тому, как он до сих пор обращается к различным видам электричества.Он определяет пять различных типов: гальваническое электричество (вырабатываемое батареей), общее электричество (например, разряд от заряженного тела, такого как лейденская банка), магнитоэлектричество (под которым он подразумевает индуцированный ток), термоэлектричество. Электричество и электричество животных (такое, которое, как известно, вырабатывается некоторыми существами, такими как электрический угорь).

Здесь следует упомянуть, что американский ученый Джозеф Генри (1797–1878), чья жизнь, начиная с бедных и скромных начал, во многом отражала жизнь Майкла Фарадея, также работал (независимо) над электрооборудованием. магнетизм по ту сторону Атлантики — хотя к 1830-м годам интерес к этому предмету определенно циркулировал по всей Атлантике.Важно отметить, что Генри на самом деле обогнал Фарадея в открытии индуктивности на несколько месяцев в 1831 году, но именно Фарадей опубликовал первые результаты, и, несмотря на столь расстроившие его задержки, ему приписывают это открытие.

4. Ошибка Фарадея

Сегодня каждый школьник и школьница узнают о правилах Флеминга для левой и правой руки. Эти полезные визуальные мнемоники были разработаны английским инженером Джоном Амброузом Флемингом (1849–1945) в конце девятнадцатого века и дают простой способ определения направления движения электродвигателя (правило левой руки) и направления тока в генераторе (правило правой руки).Например, в правиле левой руки указательный палец, средний палец и большой палец можно удерживать, указывая в трех взаимно ортогональных направлениях, чтобы представить магнитное поле (первый палец), электрический ток (второй палец) и толчок, или движение, ( большой палец). Читая статью Фарадея, поражаешься, насколько просты эти мнемоники и насколько полезными они были бы, если бы он знал о них. Пытаясь описать направление индуцированного тока, Фарадей заявляет: «Связь, которая сохраняется между магнитным полюсом, движущейся проволокой или металлом, и направлением развивающегося тока, т.е.е. закон, который управляет эволюцией электричества посредством магнитоэлектрической индукции, очень прост, хотя его довольно трудно выразить ([9], §114).

Действительно, экспериментируя с двумя параллельными проводами, Фарадей утверждает: «Как Провода приблизились, индуцированный ток был в направлении , противоположном направлению , по отношению к индуцирующему току. По мере того, как провода удалялись, индуцированный ток был в направлении , в том же направлении , что и индуцирующий ток ([9], §19). ‘Затем снова немного позже:’ Во всех случаях было обнаружено, что индуцированный ток, создаваемый Первое действие индуцирующего тока было противоположным последнему, но ток, вызванный прекращением индуцирующего тока, был в том же направлении ([9], §26).’

Но Фарадей ошибся [10]. показывает выдержку из своего дневника (его лабораторной записной книжки), написанного 26 марта 1832 года, то есть всего за несколько дней до того, как его статья появилась в печати, и поэтому он слишком поздно, чтобы вносить в нее какие-либо изменения. Мы даже видим интересную первую попытку нарисовать диаграмму. Тот, что ниже, изображает правильную взаимную ортогональность электричества, магнетизма и движения и считается одним из самых значительных рисунков в его записной книжке. 9

Это страница из записной книжки Фарадея, написанной 26 марта 1832 года (RI MS F / 2 / C, стр.147). Он гласит: «Взаимосвязь электричества, магнетизма и движения может быть представлена ​​тремя линиями, расположенными под прямым углом друг к другу, каждая из которых может представлять любую из этих точек, а две другие линии — другие точки. Тогда, если электричество будет определяться в одной линии, а движение — в другой, магнетизм разовьется в третьей; или если электричество определяется в одной линии, а магнетизм — в другой, движение будет происходить в третьей. Или, если сначала определить магнетизм, тогда движение будет производить электричество или движение электричества.Или, если движение будет первой определяемой точкой, магнетизм разовьет электричество или магнетизм электричества ». Воспроизведено с любезного разрешения Королевского института Великобритании.

5. Влияние открытия Фарадея

Нет сомнений в том, что эксперименты, описанные в статье Фарадея, не только заложили основы для истинного понимания природы электричества, но и для его практического применения способами, которые могли бы преобразовать наш мир. В течение нескольких месяцев многие изобретатели заинтересовались этими чудесными потенциальными приложениями, и все же многие из них не понимали или даже не интересовались физикой, лежащей в основе электромагнитной индукции.Действительно, истинная математическая теория не появилась бы до работы Джеймса Клерка Максвелла в 1865 году.

Применение открытий Фарадея быстро стало очевидным, когда другие ученые, инженеры и изобретатели начали работать над созданием все более совершенных электрических генераторов, которые могли бы найти практическое применение [11]. Например, французский производитель приборов Ипполит Пикси (1808–1835) построил примитивный электрический генератор еще в 1832 году, непосредственно основанный на идеях индукции Фарадея.Устройство состояло из ручного вращающегося магнита над катушкой с железным сердечником внутри. Импульс тока в катушке создавался каждый раз, когда над ней проходил один из двух полюсов магнита. Однако то, что производилось, было переменным (AC) током, поскольку направление индуцированного тока изменялось с каждым полувитком магнита. Поскольку в то время не было реального применения переменного тока (его преимущества станут очевидными только позже), необходимо было найти способ преобразовать его в постоянный (DC) ток.Предложение Ампера и других привело к введению коммутатора — поворотного переключателя, который меняет направление подключения к внешней цепи при изменении тока, давая пульсирующий постоянный ток вместо переменного. Вскоре после изобретения Pixii другие начали производить свои собственные аналогичные устройства. Следует отметить два лондонских инструмента: американца Джозефа Саксона и англичанина Джозефа Кларка. К середине 1830-х годов такие машины производили целый ряд различных эффектов индуцированных электрических токов, от химического разложения до искр, и все это происходило путем поворота ручки, которая вращала магнит.

Однако первым важным практическим применением открытия Фарадея стал не электрический генератор, а телеграф. Основываясь на способности управлять магнитом на расстоянии, это изобретение позволило установить связь на большом расстоянии, которая соединит мир. И он был основан на очень простой идее: движение проводящей катушки над магнитом в одном месте индуцирует ток, который передается в другое место, где он воздействует на гальванометр. Идея была реализована почти сразу же, как только мир узнал о творчестве Фарадея, особенно Павлом Шиллингом, Карлом Фридрихом Гауссом и Вильгельмом Вебером.Через несколько лет он был коммерциализирован Куком и Уитстоном в Великобритании (1837 г.) и Морсом и Вейлом в США (1838 г.). Коммерческое крупномасштабное применение открытия Фарадея было сделано гальваническими мастерами Бирмингема еще в 1844 году. Там по крайней мере две компании использовали его метод извлечения электричества из магнетизма в больших масштабах [12].

Затем в 1850-х годах изобретение ускорилось, когда в ожидании коммерческого применения электрического света были разработаны конструкции все более мощных генераторов (известных как «магнитоэлектрические машины»).Но эти первые генераторы были невероятно громоздкими и, конечно же, требовали источника энергии в первую очередь для создания механического движения. Первая экспериментальная установка магнитоэлектрической машины с паровым двигателем произошла на британском маяке. Устройство, которое весило 2 тонны, было изобретено англичанином Фредериком Холмсом и впервые испытано на знаменитом экспериментальном маяке Боу-Крик на Тринити-Буй-Уорф на реке Темза в Лондоне в мае 1857 года под наблюдением Фарадея [13]. 10 Затем он был установлен и впервые использован на маяке Южный Форленд на Дуврских скалах в следующем году. Таким образом, Южный Форленд стал первым местом в мире, где производилась электроэнергия для практического обеспечения энергией. И после 2000 лет использования магнитов для навигации, начиная с примитивных китайских компасов с подвешенными магнитами, магниты, наконец, помогли мореплавателям по-другому: они генерировали мощное электрическое освещение, которое безопасно уводило их от опасных скал.

К середине 1860-х годов несколько ученых и изобретателей разрабатывали практические конструкции динамо-электрической машины. В этих устройствах вместо постоянных магнитов использовались автономные катушки электромагнитного поля, что позволило впервые вырабатывать гораздо больше энергии. Таким образом, они привели к первому крупному промышленному использованию электроэнергии и были первыми генераторами, способными обеспечивать достаточную мощность для промышленности.

После открытия генератора переменного тока, теперь известного как генератор переменного тока, слово «динамо» стало ассоциироваться исключительно с коммутируемым электрическим генератором постоянного тока.К 1880-м годам так называемая «война токов» была в самом разгаре между теми, кто, например, Томасом Эдисоном, который отдавал предпочтение постоянному току для выработки электроэнергии, и теми, кто во главе с Джорджем Вестингаузом и Николой Тесла считал, что переменный ток является допустимым. путь вперед. Последние двое в конечном итоге решительно выиграют ту ожесточенную войну. Развитие передачи энергии переменного тока с использованием трансформаторов (истоки которых лежат в простом индукционном кольце Фарадея) для передачи энергии с высоким напряжением и с низкими потерями позволило центральным электростанциям стать экономически практичными.

Сегодня генератор переменного тока доминирует в крупномасштабном производстве электроэнергии и полагается на текучую среду, обычно пар, который действует как промежуточный носитель энергии, для привода турбин и выработки электроэнергии. На атомных и угольных электростанциях тепло, вырабатываемое в результате ядерного деления и химического сжигания углерода, соответственно, используется для превращения воды в пар. В известном смысле все электростанции можно грубо рассматривать как гигантские котлы.

Джеймс Кларк Максвелл (1831–1879) родился всего за несколько месяцев до того, как Фарадей провел свои знаменитые эксперименты и заинтересовался работой по электромагнитной индукции, и в частности тем, что Фарадей начал называть «силовыми линиями» для описания влияние электрического и магнитного полей.Молодой Максвелл регулярно посещал лекции Фарадея в Королевском институте, и уже в 1856 году он опубликовал статью под названием О линиях силы Фарадея , из которой интересно процитировать следующее:

«Я попытался представить в удобной и управляемой форме те математические идеи, которые необходимы для изучения явлений электричества. Обычно это методы, предлагаемые в процессе рассуждения, которые можно найти в исследованиях Фарадея, и которые, хотя они были математически интерпретированы проф.Томсон и другие, как правило, предполагают неопределенный и нематематический характер по сравнению с теми, которые используются математиками. С помощью метода, который я принимаю, я надеюсь сделать очевидным, что я не пытаюсь создать какую-либо физическую теорию науки, в которой я почти не провел ни одного эксперимента, и что предел моего замысла состоит в том, чтобы показать, как с помощью строгое применение идей и методов Фарадея, связь самых разных порядков явлений, которые он обнаружил, могут быть ясно поставлены перед математическим умом.

Несколькими годами позже, в 1861–1862 гг., Максвелл опубликовал знаменитую статью из четырех частей, озаглавленную « On Physics Lines of Force », за которой в 1865 г. последовала его величайшая работа [14] «Динамическая теория. электромагнитного поля »[15], в котором он объединил электрические и магнитные поля в одно понятие: волна, движущаяся в пространстве со скоростью света, и в котором он впервые изложил свои знаменитые уравнения (хотя еще не в форме из четырех уравнений, названных его именем и знакомых каждому студенту-физику).Это объединение света и электричества считается одним из ключевых достижений в истории науки, благодаря которому теории Фарадея были дополнены математической плотью.

Книга Максвелла [16] заложила основы не только для последующего открытия радиоволн, но и для большей части современной физики, включая работы Эйнштейна по специальной теории относительности и развитию квантовой теории, в первые десятилетия двадцатого века. Это, в свою очередь, привело ко многим замечательным достижениям, которые сформировали нашу современную электронную эру, от телевидения до компьютеров и смартфонов.Оглядываясь сегодня вокруг, мы не можем не увидеть всеобъемлющее влияние, которое работа Фарадея оказала на нашу жизнь, — влияние, которое не ослабевает.

На протяжении всей своей жизни Фарадей был гораздо больше заинтересован в понимании физических основ электромагнетизма и электромагнитной индукции, чем многие другие ученые его возраста, которые были гораздо более одержимы практическим применением его открытий. Сегодня мы по-прежнему используем Фарадея как лучший пример научного исследования, движимого любопытством, проводимого ради самого себя.

Благодарности

Автор хотел бы поблагодарить профессора Фрэнка Джеймса из Королевского института Великобритании за его помощь в предоставлении множества полезных комментариев для улучшения этой рукописи.

Сноски

1 Многие историки науки сочли бы использование термина «ученый» при обращении к натурфилософам или химикам (включая самого Фарадея) анахронизмом. Однако впредь в этой статье мы, тем не менее, будем использовать этот современный термин, тем более что между работами Фарадея и изобретением этого слова кембриджским историком и философом Уильямом Уэвеллом в 1834 году всего два года.

2 Ханстина Фарадею, 30 декабря 1857 г., в [1, т. 5, письмо 3374].

3 Описание жизни Фарадея см. В [2,3].

4 Фарадей. 1825 Дневник 1 , 279.

5 Фактически 24 ноября была прочитана только первая часть газеты. Остальная часть была прочитана дважды, 8 и 15 декабря.

6 Фарадей Роже, 14 января 1832 г., в [1], т. 2, письмо 531.

7 Фарадей — Гудзон, 9 апреля 1832 г., в [1], т. 2, буква 566.

8 Обратите внимание, что если номер серии не указан, то мы обозначаем первую статью, которая, конечно же, является предметом данной статьи.

9 Фрэнк Джеймс из Королевского института в настоящее время готовит электронное издание лабораторной записной книжки Фарадея, описывающей его индукционные эксперименты.

10 Самая ранняя машина Холмса для постоянного тока включала 120 постоянных магнитов в форме подковы, каждый весом 50 фунтов, вместе со 160 катушками; последующие версии были несколько меньше.

Профиль автора

Джим Аль-Халили — физик, автор и телеведущий из Университета Суррея, где он в настоящее время преподает и проводит исследования в области квантовой физики. Он получил докторскую степень в области теоретической ядерной физики в 1989 году и опубликовал множество публикаций о структуре и реакциях экзотических ядер. Он активен в качестве научного коммуникатора и написал ряд научно-популярных книг, переведенных более чем на двадцать языков. Его книга «Следопыты» по истории средневековой арабской науки была номинирована на премию Уорвика в 2013 году.Его последняя работа — «Жизнь на грани: наступление эры квантовой биологии». Он регулярно ведет телевизионные документальные фильмы, в том числе номинированные на премию Bafta «Химия: изменчивая история» и «Шок» и «Трепет: история электричества» для BBC. Последние три года он представляет весьма успешную еженедельную программу BBC Radio 4 «Life Scientific». В 2007 году он получил медаль Майкла Фарадея Королевского общества за научную коммуникацию.

Ссылки

1. Джеймс ФАЙЛ.2012 г. Переписка Майкла Фарадея (6 томов, Лондон, 1991–2012). [Google Scholar] 2. Джеймс ФАЙЛ. 2010 г. Майкл Фарадей: очень короткое введение. Оксфорд, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. [Google Scholar] 3. Рассел CA. 2001 г. Майкл Фарадей: наука и вера (издательство Оксфордского университета;). [Google Scholar] 4. Бауэрс Б., Саймонс Л. 1991 г. Любопытство полностью удовлетворено: путешествия Фарадея по Европе 1813–1815 гг. Лондон, Великобритания: Peter Peregrinus Ltd совместно с Музеем науки. [Google Scholar] 5.Гудинг Д. 1991 г. Эксперимент и создание смысла: участие человека в научных наблюдениях и экспериментах. Дордрехт, Нидерланды: Kluwer. [Google Scholar] 6. Твини Р.Д., Гудинг Д. 1991 г. «Химические заметки, намеки, предложения и цели поиска» Майкла Фарадея, 1822 г., стр. 70–71. Лондон, Великобритания. [Google Scholar] 7. Сартон Г. 1934 г. Рецензия на «дневник Фарадея Майкла Фарадея» Томаса Мартина. Исида 20, 472–474. (10.1086 / 346808) [CrossRef] [Google Scholar] 8. Андерсон Р. 1993 г. Судейская оценка «Работы Фарадея об электромагнитной индукции 1831 года».Примечания Рек. R. Soc. Лондон. 47, 243–256. (10.1098 / rsnr.1993.0031) [CrossRef] [Google Scholar] 9. Фарадей М. 1832 г. Экспериментальные исследования в электричестве. Фил. Пер. R. Soc. Лондон. 122, 125–162. (10.1098 / rstl.1832.0006) [CrossRef] [Google Scholar] 10. Ромо Дж., Дончел МГ. 1994 г. Первоначальная ошибка Фарадея относительно направления индуцированных токов и рукопись I серии его исследований ». Arch. Hist. Exact Sci. 47, 291–385. (10.1007 / BF00374741) [CrossRef] [Google Scholar] 11. Джеймс ФАЙЛ.1999 г. Талант гражданского инженера: Майкл Фарадей, наука, инженерия и английская маячная служба, 1836–1865 гг. Пер. Newcomen Soc. 70, 153–160. [Google Scholar] 12. Thomas JM. 1991 г. Майкл Фарадей и королевский институт: гений человека и места, (IOP Publishing, впоследствии опубликовано Тейлором и Фрэнсисом;), стр. 51. [Google Scholar] 13. Холмс Ф. Х. 1863 г. О магнитоэлектричестве и его применении в маячных целях. Инженер 16, 337–338. [Google Scholar] 14. Niven WD. (ред.).1965 г. Научные статьи Джеймса Клерка Максвелла, Dover Publications, по специальной договоренности с Cambridge University Press, стр. 157. [Google Scholar] 15. Максвелл Дж. 1865 г. Динамическая теория электромагнитного поля. Фил. Пер. R. Soc. Лондон. 155, 459–512. (10.1098 / rstl.1865.0008) [CrossRef] [Google Scholar] 16. Максвелл Дж. 1873 г. Трактат об электричестве и магнетизме, 2 тома Оксфорд, Великобритания: Clarendon Press. [Google Scholar]

Явление электромагнитной индукции — A Класс 12 по физике CBSE

Совет: процесс электромагнитной индукции регулируется законом электромагнитной индукции Фарадея.Майкл Фарадей обнаружил, что когда катушка помещается в изменяющийся магнитный поток, в катушке создается электродвижущая сила, которая может вызвать ток при подходящих условиях.

Используемая формула:
ЭДС $ E $, генерируемая в катушке, помещенной в изменяющийся магнитный поток, задается как
$ E = — \ dfrac {d {{\ phi} _ {B}}} {dt} $
где $ \ dfrac {d {{\ phi} _ {B}}} {dt} $ — скорость изменения магнитного потока $ \ left ({{\ phi} _ {B}} \ right) $ со временем $ \ left (т \ право) $.
Отрицательный знак означает, что ЭДС создает ток в направлении, противодействующем изменяющемуся магнитному потоку.

Полный шаг за шагом ответ:
Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Его закон гласит, что ЭДС возникает в проводящей катушке всякий раз, когда она находится в изменяющемся магнитном потоке. Когда к катушке подключена нагрузка, в катушке течет ток из-за ЭДС.
Математическое выражение закона электромагнитной индукции Фарадея выглядит следующим образом.
ЭДС $ E $, генерируемая в катушке, помещенной в изменяющийся магнитный поток, равна
$ E = — \ dfrac {d {{\ phi} _ {B}}} {dt} $
, где $ \ dfrac {d {{\ phi} _ {B}}} {dt} $ — это скорость изменения магнитного потока $ \ left ({{\ phi} _ {B}} \ right) $ со временем $ \ left (t \ right ) $.
Отрицательный знак означает, что ЭДС создает ток в направлении, противодействующем изменяющемуся магнитному потоку.
Магнит создает собственное магнитное поле и, следовательно, магнитный поток. Когда катушка приближается к магниту, и между ними создается относительное движение за счет перемещения магнита или катушки, тогда величина магнитного потока, проходящего через катушку, изменяется. Это изменение магнитного потока вызывает ЭДС и, следовательно, последующий электрический ток в катушке. Поэтому говорят, что ток в катушке индуцируется электромагнитно.
Следовательно, правильный вариант: C) Процесс создания индуцированного тока в катушке всякий раз, когда между катушкой и магнитом происходит относительное движение.

Примечание: учащиеся должны помнить, что только относительное движение вызывает изменение магнитного потока, проходящего через катушку. Таким образом, если магнит и катушка просто держать рядом друг с другом, в катушке не будет индуцированного тока, поскольку нет относительного движения. Эта концепция часто используется в качестве уловки, чтобы соблазнить учащихся пойти по неверному пути мышления.
Отрицательный знак в математическом выражении закона электромагнитной индукции Фарадея очень важен. Это означает, что создаваемая ЭДС имеет тенденцию противодействовать изменению потока, то есть следствие противодействует причине. Это основное свойство многих природных явлений, когда эффект явления пытается противодействовать его причине.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.