В каком году м фарадей доказал что магнитное поле является причиной: История открытия электромагнитных волн

История открытия электромагнитных волн

Открытие электромагнитных волн — замечательный пример взаимодействия эксперимента и теории. На нем видно, как физика объединила, казалось бы, абсолютно разнородные свойства — электричество и магнетизм, — обнаружив в них различные стороны одного и того же физического явления — электромагнитного взаимодействия. На сегодня это одно из четырех известных фундаментальных физических взаимодействий, к числу которых также относятся сильное и слабое ядерные взаимодействия и гравитация. Уже построена теория электрослабого взаимодействия, которая с единых позиций описывает электромагнитные и слабые ядерные силы. Имеется и следующая объединяющая теория — квантовая хромодинамика — которая охватывает электрослабое и сильное взаимодействия, но ее точность несколько ниже. Описать все фундаментальные взаимодействия с единых позиций пока не удается, хотя в этом направлении ведутся интенсивные исследования в рамках таких направлений физики, как теория струн и квантовая гравитация.

Электромагнитные волны были предсказаны теоретически великим английским физиком Джеймсом Кларком Максвеллом (вероятно, впервые в 1862 году в работе «О физических силовых линиях», хотя подробное описание теории вышло в 1867 году). Он прилежно и с огромным уважением пытался перевести на строгий математический язык немного наивные картинки Майкла Фарадея, описывающие электрические и магнитные явления, а также результаты других ученых. Упорядочив одинаковым образом все электрические и магнитные явления, Максвелл обнаружил ряд противоречий и отсутствие симметрии. Согласно закону Фарадея переменные магнитные поля порождают электрические поля. Но не было известно, порождают ли переменные электрические поля — магнитные. Избавиться от противоречия и восстановить симметрию электрического и магнитного полей Максвеллу удалось, введя в уравнения дополнительный член, который описывал возникновение магнитного поля при изменении электрического. К тому времени благодаря опытам Эрстеда уже было известно, что постоянный ток создает вокруг проводника постоянное магнитное поле. Новый член описывал другой источник магнитного поля, но его можно было представить как некий воображаемый электрический ток, который Максвелл назвал

током смещения, чтобы отличить от обычного тока в проводниках и электролитах — тока проводимости. В итоге получилось, что переменные магнитные поля порождают электрические поля, а переменные электрические — магнитные. И тогда Максвелл понял, что в такой связке колеблющиеся электрическое и магнитное поля могут отрываться от порождающих их проводников и двигаться через вакуум с определенной, но очень большой скоростью. Он вычислил эту скорость, и она оказалась около трехсот тысяч километров в секунду.

Потрясенный полученным результатом, Максвелл пишет Уильяму Томсону (лорду Кельвину, который, в частности, ввел абсолютную шкалу температур): «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли может отказаться от вывода, что

свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». И далее в письме: «Я получил свои уравнения, живя в провинции и не подозревая о близости найденной мной скорости распространения магнитных эффектов к скорости света, поэтому я думаю, что у меня есть все основания считать магнитную и светоносную среды как одну и ту же среду…»

Уравнения Максвелла далеко выходят за рамки школьного курса физики, но они так красивы и лаконичны, что их стоит разместить на видном месте в кабинете физики, ведь большинство значимых для человека явлений природы удается описать с помощью всего нескольких строчек этих уравнений. Так сжимается информация, когда объединяются ранее разнородные факты. Вот один из видов уравнений Максвелла в дифференциальном представлении. Полюбуйтесь.

∇E = 4πρ	Закон Кулона
∇B = 0&	магнитные заряды не существуют в природе
[∇E] = –1/c(δB/δt)	закон Фарадея
[∇B] = (4π/c)j + (1/c)(δE/δt)	Закон Ампера, с током смещения Максвелла (второй член правой части)
F = q(E+ [(v/c)×B])	Сила Лоренца

Хочется подчеркнуть, что из расчетов Максвелла получалось обескураживающее следствие: колебания электрического и магнитного полей — поперечные (что он сам все время подчеркивал). А поперечные колебания распространяются только в твердых телах, но не в жидкостях и газах. К тому времени было надежно измерено, что скорость поперечных колебаний в твердых телах (попросту скорость звука) тем выше, чем, грубо говоря, тверже среда (чем больше модуль Юнга и меньше плотность) и может достигать нескольких километров в секунду. Скорость поперечной электромагнитной волны была почти в сто тысяч раз выше, чем скорость звука в твердых телах. А надо заметить, что характеристика жесткости входит в уравнение скорости звука в твердом теле под корнем. Получалось, что среда, через которую идут электромагнитные волны (и свет), имеет чудовищные характеристики упругости. Возник крайне тяжелый вопрос: «Как же через такую твердую среду движутся другие тела и не чувствуют ее?» Гипотетическую среду назвали — эфиром, приписав ему одновременно странные и, вообще говоря, взаимоисключающие свойства — огромную упругость и необычайную легкость.

Работы Максвелла вызвали шок среди ученых-современников. Сам Фарадей с удивлением писал: «Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, примененную к вопросу, но потом удивился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо». Несмотря на то, что взгляды Максвелла опрокидывали все известные на то время представления о распространении поперечных волн и о волнах вообще, прозорливые ученые понимали, что совпадение скорости света и электромагнитных волн — фундаментальный результат, который говорит, что именно здесь физику ожидает основной прорыв.

К сожалению, Максвелл умер рано и не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов. Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца, который через 20 лет (1886–89) в серии экспериментов продемонстрировал генерацию и прием электромагнитных волн. Герц не только в тиши лаборатории получил правильный результат, но страстно и бескомпромиссно защищал взгляды Максвелла. Причем он не ограничился экспериментальным доказательством существование электромагнитных волн, но и исследовал их основные свойства (отражение от зеркал, преломление в призмах, дифракцию, интерференцию и т. д.), показав полную тождественность электромагнитных волн со светом.

Любопытно, что за семь лет до Герца, в 1879 году английский физик Дэвид Эдвард Юз (Хьюз — D. E. Hughes) тоже продемонстрировал перед другими крупными учеными (среди них был также блестящий физик и математик Георг-Габриель Стокс) эффект распространения электромагнитных волн в воздухе. В результате обсуждений ученые пришли к выводу, что видят явление электромагнитной индукции Фарадея. Юз расстроился, не поверил самому себе и опубликовал результаты лишь в 1899 году, когда теория Максвелла-Герца стала общепринятой. Этот пример говорит, что в науке настойчивое распространение и пропаганда полученных результатов имеет часто не меньшее значение, чем сам научный результат.

Генрих Герц так подытожил результаты своих экспериментов: «Описанные эксперименты, как, по крайне мере, кажется мне, устраняют сомнения в тождественности света, теплового излучения и электродинамического волнового движения».

Далее: Великое объединение

Майкл Фарадей — основоположник электромагнитного поля

Майкл Фарадей (1791-1867) — английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле ( особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами). Он иностранный почетный член Петербургской академии наук (1830). Обнаружил взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, химическое действие электрического тока, взаимосвязь между магнетизмом и светом. Открыл (1831) электромагнитную индукцию — явление, которое легло в основу электротехники. Установил (1833-1834) законы электролиза. Открыл пара- и диамагнетизм, вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Доказал тождественность различных видов электричества. Ввел понятия электрического и магнитного поля, высказал идею существования электромагнитных волн.

Родился Майкл Фарадей в семье кузнеца 22 сентября 1791 года, в предместье Лондона. Небольшие доходы семьи не позволили ему окончить даже среднюю школу. В 13 лет Майкл стал учеником в переплетной мастерской при книжной лавке. Работая в мастерской, Фарадей упорно занимался самообразованием — читал всю доступную ему литературу по физике и химии, посещал по вечерам и воскресеньям частные лекции по физике и астрономии. Один из клиентов книжной лавки, где работал Майкл, заметив интерес мальчика к физике и химии, помог ему попасть на лекции по этим предметам в Королевский институт. В 1813 году Фарадей получил место лабораторного ассистента в этом институте, а осенью того же года был взят выдающимся физиком Гемфри Дэви в двухлетнюю поездку по научным центрам Европы. Эта поездка для Майкла Фарадея имела большое значение: знакомство с такими учеными, как Ж.Л.Гей-Люссак, А.Ампер и др.

Работая в Королевском институте Фарадей поначалу помогал Г.Дэви в его химических экспериментах, а потом начал проводить собственные опыты. В 1816 он уже читал курс лекций по физике и химии в обществе для самообразования. Проводя исследования, он произвел ожижение газов и получение бензола — одно из его наивысших достижений в области химии. В 1821 году он впервые осуществил вращение магнита вокруг проводника с током, и наоборот- вращение проводника с током вокруг магнита, создав первую модель электродвигателя. До этого он уже имел около 40 опубликованных работ по химии. В 1824 году он первым получил хлор в жидком состоянии. В 1831 его десятилетние исследования связи между электричеством и магнетизмом увенчались открытием электромагнитной индукции. Это открытие принесло ученому известность .

Изучения Фарадеем прохождения электрических токов через растворы солей, щелочей и кислот, привело его к открытию законов электролиза (законы Фарадея) в 1833году. В 1845 году он открыл явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея) и диамагнетизм, а в 1847- парамагнетизм. Ученый ввел понятия: подвижность, анод, катод, ионы, электроды. Изобрел вольтметр. Впервые употребил понятие магнитного поля.

Открытия Фарадея завоевали широкое признание во всем мире. Его именем, в последствии, были названы законы, явления, физические величины. В его честь была утверждена одна из почетнейших научных наград- медаль Фарадея.

 

< Предыдущая		Следующая >

Майкл Фарадей — магнетизм и электричество

Майкл Фарадей — английский ученый, прославившийся исследованиями в области магнетизма и электротока. Каждое его открытие продвигало науку еще на один шаг вперед и, в итоге, привело к электричеству, компьютеру и многим неотъемлемым вещам современной жизни.

Жизнь Майкла Фарадея началась в одном из бедных районов Лондона 22 сентября 1791 года. Его отец и брат работали кузнецами, но их заработка едва хватало на содержание семьи. В результате бедственного положения, мальчик не получил даже среднего образования, ограничившись лишь местной начальной школой. С момента ее окончания своим обучением Майкл занимался самостоятельно, любил читать книги, увлекался естественными науками, в частности, химией и физикой.

Чтобы облегчить положение семьи, с 13 лет юный Фарадей сам начинает зарабатывать деньги. Сначала работает разносчиком книг и газет, а через год и в самой книжной лавке. Здесь он учится переплетать книги, при этом хозяин магазинчика позволяет Майклу их читать. Мальчик с большим энтузиазмом принимается за изучения всех доступных материалов, пытается применить теоретические знания на практике. Так у него дома появилась целая самодельная лаборатория, в которой Фарадей проводил различные научные опыты.

Свой вклад в обучение Майкла сделал и его старший брат – он не раз оплачивал мальчику посещение лекций по физике, химии и астрономии. Впрочем, на главную лекцию в своей жизни Фарадей попал абсолютно случайно. Один из покупателей в книжной лавке заметил интерес Майкла к науке и подарил ему пригласительные билеты на лекцию Гемфри Дэви. После ее посещения юноша лично сделал переплет своего конспекта и, собравшись с духом, отправил преподавателю. Тот, в свою очередь, одобрительно отнесся к познаниям мальчика в области физики и, немного поразмыслив, пригласил Фарадея работать его ассистентом в Королевском университете.

Начиная с 1813 года, Дэви вместе со своим помощником много путешествует по Европе. Так Фарадею удалось побывать в лучших лабораториях Франции и Италии, а также познакомиться с великими учеными того времени: М. Шеврелем, Ж. Л. Гей-Люссаком, А. Ампером. Вся поездка заняла более двух лет и еще больше разожгла в молодом ученом тягу к науке.

В 1815 году, вернувшись в университет, Майкл Фарадей с головой уходит в работу. Все больше времени он уделяет собственным исследованиям, тем не менее, успевает читать бесплатные лекции для тех, кто, как и он сам, вынужден заниматься самообразованием. Таким образом, ученый вносит свой вклад в популяризацию науки и развивает свой ораторский талант.

В 1820 году в руки Фарадею попадают работы Эрстеда, где речь идет о магнитном действии электрического тока. С этого момента ученый всерьез занимается изучением этого вопроса, и, спустя 10 лет кропотливого труда, приходит к понятию электромагнитной индукции (взаимодействия магнетизма и электротока). Совершить великое открытие ему помогла катушка Генри.

Через год Майкл Фарадей становится техническим смотрителем в Королевском университете. В его обязанности входит надзор за всеми его лабораториями. 1821 год стал знаменательным и в личной жизни Фарадея – он женился и, как утверждают его современники, это был весьма удачный и счастливый брак.

В этом же году он публикует две свои знаменитые работы: о сжижении хлора и об электромагнитных движениях. Первая привела его к преобразованию хлора в жидкое вещество (1824), а во второй речь шла о прототипе электродвигателя. В ней был описан эксперимент с намагниченной стрелкой, которую Фарадей заставил вращаться вокруг магнитного полюса. За этот опыт Майкла безосновательно обвинил в плагиате У. Волластон. При этом наставник Фарадея – Г. Дэви – не поддержал своего ученика, и стал на сторону известного ученого.

Не стал на сторону Фарадея он и в 1824 году. Когда ученого принимали в королевское общество Лондона, Дэви был единственным, кто проголосовал против его членства. Впрочем, это не мешало Дэви называть Фарадея самым главным своим открытием.

В 1825 году Фарадей становится директором лаборатории при Королевском университете, а в 1827 – профессором и возглавляет кафедру химии.

В 1832 году, продолжая исследования, связанные с электрическим током, Фарадей приходит к понятию электролиза. Это явление позволяет пропускать ток через различные растворы, выделяя из них ценные компоненты. Его используют и по сей день в химической промышленности и металлургии. В этот же период Фарадей сделал еще одно важное открытие – смог доказать тождественность всех проявлений электричества.

В 1835 году друзья Фарадея добились у министра казначейства пожизненной пенсии для ученого за его научные открытия. Несмотря на бедственное положение, Фарадей не стал принимать «подачку», согласившись на выплаты только после извинений министра и искреннего признания его заслуг.

В 1840 году Фарадей озвучил теорию о единстве всех существующих энергий. Он утверждал, что все они могут превращаться одна в другую. Таким образом, он пришел к понятию силовых линий. В этот момент ученого постигла беда – он серьезно заболел и на пять лет оставил свою научную деятельность. Поэтому термин «магнитное поле» появился лишь в 1845 году. В это же время Фарадеем были открыты диа- и парамагнетизм.

В 1848 году был открыт так называемый эффект Фарадея, который связывал магнетизм и оптику. По сути, он являлся поляризацией света, его взаимодействием с силовыми линиями магнитного поля. Сам ученый описывал свое открытие следующими словами: «я намагнитил свет».

Отступившая на время болезнь вновь вернулась в 1855 году. Фарадей все чаще страдает головными болями, начинает терять память. При этом он до последнего продолжает заниматься наукой, тщательно конспектируя свои мысли в лабораторный журнал.

Майкл Фарадей умер 25 августа 1867 года в Хэмптон-Корте, но его открытия живы и поныне. Без него не существовало бы таких неотъемлемых вещей современной жизни, как электричество, компьютер, алюминиевые ложки, медные провода, нержавеющая сталь, электродвигатель и пр. В его честь названа одна из самых престижных премий за достижения в науке – медаль Фарадея.

ФАРАДЕЙ. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ. Максвелл

ФАРАДЕЙ. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимодействии сил природы, Фарадей пытался доказать, что точно так же, как с помощью электричества Ампер мог создавать магниты, так же и с помощью магнитов можно создавать электричество.

Логика его была проста: механическая работа легко переходит в тепло; наоборот, тепло можно преобразовать в механическую работу (скажем, в паровой машине). Вообще, среди сил природы чаще всего случается следующее соотношение: если А рождает Б, то и Б рождает А.

Если с помощью электричества Ампер получал магниты, то, по-видимому, возможно «получить электричество из обычного магнетизма». Такую же задачу поставили перед собой Араго и Ампер в Париже, Колладон — в Женеве.

Фарадей ставит множество опытов, ведет педантичные записи. Каждому небольшому исследованию он посвящает параграф в лабораторных записях (изданы в Лондоне полностью в 1931 году под названием «Дневник Фарадея»). О работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф «Дневника» помечен номером 16041. Блестящее мастерство Фарадея-экспериментатора, одержимость, четкая философская позиция не могли не быте вознаграждены, но ожидать результата пришлось долгих одиннадцать лет.

Кроме интуитивной убежденности во всеобщей связи явлений, его, собственно, в поисках «электричества из магнетизма» ничто не поддерживало. К тому же он, как его учитель Дэви, больше полагался на свои опыты, чем на мысленные построения. Дэви учил его:

— Хороший эксперимент имеет больше ценности, чем глубокомыслие такого гения, как Ньютон.

И тем не менее именно Фарадею суждены были великие открытия. Великий реалист, он стихийно рвал путы эмпирики, некогда навязанные ему Дэви, и в эти минуты его осеняло великое прозрение — он приобретал способность к глубочайшим обобщениям.

Первый проблеск удачи появился лишь 29 августа 1831 года. В этот день Фарадей испытывал в лаборатории несложное устройство: железное кольцо диаметром около шести дюймов, обмотанное двумя кусками изолированной проволоки. Когда Фарадей подключил к зажимам одной обмотки батарею, его ассистент, артиллерийский сержант Андерсен, увидел, как дернулась стрелка гальванометра, подсоединенного к другой обмотке.

Дернулась и успокоилась, хотя постоянный ток продолжал течь по первой обмотке. Фарадей тщательно просмотрел все детали этой простой установки — все было в порядке.

Но стрелка гальванометра упорно стояла на нуле. С досады Фарадей решил выключить ток, и тут случилось чудо — во время размыкания цепи стрелка гальванометра опять качнулась и опять застыла на нуле!

Фарадей был в недоумении: во-первых, почему стрелка ведет себя так странно? Во-вторых, имеют ли отношение замеченные им всплески к явлению, которое он искал?

Вот тут-то и открылись Фарадею во всей ясности великие идеи Ампера — связь между электрическим током и магнетизмом. Ведь первая обмотка, в которую он подавал ток, сразу становилась магнитом. Если рассматривать ее как магнит, то эксперимент 29 августа показал, что магнетизм как будто бы рождает электричество. Только две вещи оставались в этом случае странными: почему всплеск электричества при включении электромагнита стал быстро сходить на нет? И более того, почему всплеск появляется при выключении магнита?

На следующий день, 30 августа, — новая серия экспериментов. Эффект ясно выражен, но тем не менее абсолютно непонятен.

Фарадей чувствует, что открытие где-то рядом.

23 сентября он пишет своему другу Р.Филиппсу:

«Я теперь опять занимаюсь электромагнетизмом и думаю, что напал на удачную вещь, но не могу еще утверждать это. Очень может быть, что после всех моих трудов я в конце концов вытащу водоросли вместо рыбы».

К следующему утру, 24 сентября, Фарадей подготовил много различных устройств, в которых основными элементами были уже не обмотки с электрическим током, а постоянные магниты. И эффект тоже существовал! Стрелка отклонялась и сразу же устремлялась на место. Это легкое движение происходило при самых неожиданных манипуляциях с магнитом, иной раз, казалось, случайно.

Следующий эксперимент — 1 октября. Фарадей решает вернуться к самому началу — к двум обмоткам: одной с током, другой — подсоединенной к гальванометру. Различие с первым экспериментом — отсутствие стального кольца — сердечника. Всплеск почти незаметен. Результат тривиален. Ясно, что магнит без сердечника гораздо слабее магнита с сердечником. Поэтому и эффект выражен слабее.

Фарадей разочарован. Две недели он не подходит к приборам, размышляя о причинах неудачи.

Эксперимент триумфальный — 17 октября.

Фарадей заранее знает, как это будет. Опыт удается блестяще.

«Я взял цилиндрический магнитный брусок (3/4 дюйма в диаметре и 8 1/4 дюйма длиной) и ввел один его конец внутрь спирали из медной проволоки (220 футов длиной), соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался».

Секрет — в движении магнита! Импульс электричества определяется не положением магнита, а движением!

Это значит, что «электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».

Эта идея необыкновенно плодотворна. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, и движение проводника относительно магнита должно рождать электричество! Причем эта «электрическая волна» не исчезнет до тех пор, пока будет продолжаться взаимное перемещение проводника и магнита. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, действующий сколь угодно долго, лишь бы продолжалось взаимное движение проволоки и магнита!

28 октября Фарадей установил между полюсами подковообразного магнита вращающийся медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой — на периферии диска) можно было снимать электрическое напряжение. Это был первый электрический генератор, созданный руками человека.

После «электромагнитной эпопеи» Фарадей был вынужден прекратить на несколько лет свою научную работу — настолько была истощена его нервная система…

Опыты, аналогичные фарадеевским, как уже говорилось, проводились во Франции и в Швейцарии. Профессор Женевской академии Колладон был искушенным экспериментатором (он, например, произвел на Женевском озере точные измерения скорости звука в воде). Может быть, опасаясь сотрясения приборов, он, как и Фарадей, по возможности удалил гальванометр от остальной установки. Многие утверждали, что Колладон наблюдал те же мимолетные движения стрелки, что и Фарадей, но, ожидая более стабильного, продолжительного эффекта, не придал этим «случайным» всплескам должного значения…

Действительно, мнение большинства ученых того времени сводилось к тому, что обратный эффект «создания электричества из магнетизма» должен, по-видимому, иметь столь же стационарный характер, как и «прямой» эффект — «образование магнетизма» за счет электрического тока. Неожиданная «мимолетность» этого эффекта сбила с толку многих, в том числе Колладона, и эти многие поплатились за свою предубежденность.

Фарадея тоже поначалу смущала мимолетность эффекта, но он больше доверял фактам, чем теориям, и в конце концов пришел к закону электромагнитной индукции. Этот закон казался тогда физикам ущербным, уродливым, странным, лишенным внутренней логики.

Почему ток возбуждается только во время движения магнита или изменения тока в обмотке?

Этого не понимал никто. Даже сам Фарадей. Понял это через семнадцать лет двадцатишестилетний армейский хирург захолустного гарнизона в Потсдаме Герман Гельмгольц. В классической статье «О сохранении силы» он, формулируя свой закон сохранения энергии, впервые доказал, что электромагнитная индукция должна существовать именно в этом «уродливом» виде.

Независимо к этому пришел и старший друг Максвелла, Вильям Томсон. Он тоже получил электромагнитную индукцию Фарадея из закона Ампера при учете закона сохранения энергии.

Так «мимолетная» электромагнитная индукция приобрела права гражданства и была признана физиками.

Но она никак не укладывалась в понятия и аналогии статьи Максвелла «О фарадеевских силовых линиях». И это было серьезным недостатком статьи. Практически ее значение сводилось к иллюстрации того, что теории близко— и дальнодействия представляют различное математическое описание одних и тех же экспериментальных данных, что силовые линии Фарадея не противоречат здравому смыслу. И это все. Все, хотя это было уже очень много.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Урок 10. электромагнитные волны — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 10. Электромагнитные волны

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. Основные положения электромагнитной теории Максвелла и опытное доказательство Герцем существования электромагнитных волн.
2. Электромагнитная волна и её характеристики, вихревое поле, шкала электромагнитных волн.

Глоссарий по теме

Вихревым электрическим полем называется поле, силовые линии которого нигде не начинаются и не заканчиваются, представляют собой замкнутые линии.

Электромагнитное поле – особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие.

Электромагнитные волны – это электромагнитные колебания, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.

Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2016. – С. 140-150

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-М.:Дрофа,2009.- С.20-22

Основное содержание урока

Часто вы слышите от заботливых мам: «Не клади телефон под подушку! Не сиди долго за компьютером. Не находись долго около микроволновки! Не носи телефон в кармане! Вредно для здоровья, опасно для жизни, есть риск заболеть раковыми заболеваниями, действуют электромагнитные волны».

Вселенная-это океан электромагнитных излучений. Человек живет в нем, не замечая волн, проникающих в окружающее пространство. Включив лампочку или греясь у камина, человек заставляет источник этих волн работать, не задумываясь об их свойствах. Открытие природы электромагнитного излучения, позволило человечеству в течение XX века освоить и ввести в эксплуатацию различные его виды.

Сегодня мы поговорим об электромагнитных волнах, что это? Каковы его характеристики?

Когда мы слышим слово «волна», что вы себе представляете? Волны на море, на реке, волна в ванной комнате, и т.д. это механические волны. Механика переводится как движение. Мы их видим и способны определить его характеристики. Вспомним, какие величины характеризуют механические волны.

Период – это время, за которое совершается одно колебание. Период обозначается буквой Т, измеряется в секундах. Определяется по формуле:

Частота – это число колебаний в единицу времени. Частота — обозначается буквой ν (ню), измеряется в герцах Гц и определяется по формуле:

Амплитуда – это наибольшее отклонение от положения равновесия. Амплитуда – обозначается буквой А, измеряется в метрах.

Длина волны — это кратчайшее расстояние между точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Обозначается буквой лямбда λ, измеряется в метрах м,

Скорость — υ, м/с

Механические волны имеют много общего с электромагнитными волнами, но есть и существенные различия. Они распространяются в твердой, жидкой, газообразной среде, можем ли мы обнаружить их нашими чувствами? Да, в твердых средах-это могут быть землетрясения, колебания струн музыкальных инструментов. В жидкости — волны в море, в газах-это распространение звуков. С электромагнитными волнами не все так просто. Мы не чувствуем и не осознаем, сколько электромагнитных волн пронизывает наше пространство. Радиоволны, телевизионные волны, солнечный свет, Wi-Fi, излучение мобильного телефона и многое другое являются примерами электромагнитного излучения. Если бы мы могли видеть их, мы не смогли бы видеть друг друга за столькими электромагнитными волнами. Электромагнитные волны играют огромную роль в жизни современного человека — с их помощью мы передаем информацию, общаемся, обмениваемся данными, изучаем окружающий мир и многое другое. Сегодня мы должны понять понятие электромагнитных волн, выяснить, как получить электромагнитные волны и какими свойствами они обладают.

Какова история открытия электромагнитных волн? В 1820 году Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что привело к возникновению новой области физики — электромагнетизма. В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: переменное магнитное поле создает переменный электрический ток. В 1864 году Максвелл предположил, что при изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле. В 1887 году Герц экспериментально подтвердил гипотезу Максвелла о существовании электромагнитного поля.

Для подтверждения гипотезы Максвелла о существовании электромагнитного поля необходимо было экспериментально открыть электромагнитные волны. Это сделал немецкий физик Генрих Герц, который использовал устройство, названное в его честь вибратором Герца-открытый колебательный контур.

Генрих Герц

(1857–1894)

Простейшая система, в которой возникают электромагнитные колебания, называется колебательным контуром.

Для того, чтобы иметь колебания в цепи, необходимо зарядить конденсатор. В результате периодической перезарядки конденсатора в цепи возникают колебания. Между обкладками конденсатора возникает переменное электрическое поле. А вокруг него переменное магнитное поле, вихрь и вихрь переменного электрического поля и др. Таким образом, в пространстве электромагнитное поле распространяется в виде электромагнитных волн. Генри Герц измерил частоту ν гармонических колебаний в цепи и длину λ электромагнитной волны и определил скорость электромагнитной волны:

υ = λ·ν

Значение скорости электромагнитной волны, полученное в эксперименте Герца, совпало со значением скорости электромагнитной волны по гипотезе Максвелла с = 299 792 458 м = 300 000 км/с. Чтобы сделать излучение более интенсивным, необходимо увеличить циклическую частоту. По формуле: ω=1/√(L∙C) частота зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора. Так, необходимо уменьшить индуктивность L и электрическую емкость C. для этого необходимо уменьшить количество витков катушки и раздвинуть обкладки конденсатора. Закрытый колебательный контур превращается в открытый – прямой проводник. Проводник был разрезан, оставляя зазор, чтобы поставить шары и зарядить до высокой разности потенциалов. В результате между шариками проскакивала искра. Возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения, серии импульсов быстроизменяющегося тока, Герц получал электромагнитные волны высокой частоты. Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора (резонатора), который является тем же устройством, что и излучающий вибратор

Итак, процесс взаимного порождения электрического поля переменным магнитным полем и изменение магнитного поля электрическое поле может продолжать распространяться, захватывая новые области пространства. Переменные электрическое и магнитное поля, распространяющиеся в пространстве и генерирующие друг друга, называются электромагнитной волной.

Электромагнитное поле-особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие. И это поле имеет совершенно иную природу, чем электростатическое. Линии натяжения не имеют начала и конца, они замкнуты. Отсюда и название вихревого поля. Вихревое электрическое поле-это поле, силовые линии которого не начинаются и не заканчиваются нигде, а являются замкнутыми линиями.

Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. Сила, действующая на заряд со стороны вихревого электрического поля, равна:

Но, в отличие от электростатического поля, работа вихревого электрического поля на замкнутой линии не равна нулю. Так как при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, потому, что сила и перемещение совпадают по направлению.

Согласно теории Максвелла, электромагнитная волна переносит энергию. Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется периодически в пространстве с изменением векторов  и Электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу, причем каждое из них перпендикулярно к направлению распространения волны:

Таким образом, электромагнитная волна является поперечной волной. Электромагнитная волна излучается колеблющимися зарядами, при этом важно, чтобы заряды двигались с ускорением. Электромагнитная волна, как и механическая, характеризуется периодом и частотой колебаний, длиной волны и скоростью распространения. Период Т – это время одного колебания. Частота ν – это число колебаний за одну секунду. Длина волны λ — это расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за время одного периода. В вакууме для электромагнитной волны период Т и частота ν и длина волны λ связаны соотношениями:

Герц не только открыл электромагнитные волны, но и показал, что они ведут себя подобно другим волнам. Они поглощаются, отражаются, преломляются, наблюдаются явления интерференции и дифракции волн. Вычисленная на основании гипотезы Максвелла скорость электромагнитной волны совпала с наблюдаемой в опытах скоростью света. Это совпадение позволило предположить, что свет является одним из видов электромагнитных волн.

Свойства электромагнитных волн:

Отражение электромагнитных волн: волны хорошо отражаются от металлического листа, причем угол падения равен углу отражения;

Поглощение волн: электромагнитные волны частично поглощаются при переходе через диэлектрик;

Преломление волн: электромагнитные волны меняют свое направление при переходе из воздуха в диэлектрик;

Интерференция волн: сложение волн от когерентных источников;

Дифракция волн: отгибание волнами препятствий.

Фронтом волны называется геометрическое место точек, до которых дошли возмущения в данный момент времени. Поверхность равной фазы называется волновой поверхностью. Плоской волной называется волна, у которой волновая поверхность — плоскость. Линия, перпендикулярная волновой поверхности, называется лучом. Электромагнитная волна, как мы уже сказали, переносит энергию. Луч указывает направление, в котором волна переносит энергию. Тогда для плоской электромагнитной волны скорость, которой перпендикулярна поверхности площадью s, то можно ввести понятие плотность потока излучения. Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.

Иногда ее называют интенсивностью волны. Плотностью потока электромагнитного излучения пропорциональна четвертой степени циклической частоты.

Источники излучения электромагнитных волн разнообразны, но самым простым является точечный источник. Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью (например, звёзды).

Длина электромагнитных волн различна: от значений порядка 10¹³ м (низкочастотные колебания) до 10^-10 м (γ-лучи). Свет составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн. Принято выделять низкочастотное излучение, радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, -излучение. Атомные ядра испускают самое коротковолновое -излучение. Особого различия между отдельными излучениями нет. Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов и др.) и методам регистрации. Электромагнитные волны обнаруживаются, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300 000 км/с. Если мысленно разложить эти виды по возрастанию частоты или убыванию длины волны, то получится широкий непрерывный спектр – шкала электромагнитных излучений.

Сегодня мы знаем, что к опасным видам излучения относятся: гамма-излучение, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение, остальные – безопасны. Распределение электромагнитных излучений по диапазонам условное и резкой границы между областями нет. Вся шкала электромагнитных волн является подтверждением того, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами.

В зависимости от своей частоты или длины волны электромагнитные волны имеют различное применение. Они несут людям пользу и вред. Бытовые обогревательные приборы, приборы для приготовления еды, телефоны, компьютеры, вышки сотовой связи и телебашни, электропровода излучают электромагнитные волны. Больше других источников электромагнитные волны у нас дома излучают мобильные телефоны, микроволновые печи, холодильники, электрические кухонные плиты. Самым мощным источником излучения являются линии электропередач, и строить жилые дома под ними, воспрещено. Антенны радиопередатчиков нельзя устанавливать на сооружениях, в которых живут люди. Эмбрионы и ткани, находящиеся в стадии роста, больше всего подвержены влиянию волн, воздействуют электромагнитное поле на центральную нервную систему и мышцы тела. Это влияние становится причиной бессонницы и дисфункций в неврологической области, нарушения частоты биений сердца и скачков давления. Но есть, и полезные свойства электромагнитных волн. Их используют в физиотерапевтическом лечении некоторых болезней так как они способствуют быстрому заживлению тканей, останавливает развитие воспалительных процессов. Мы сегодня исключить полностью общение с электромагнитными волнами не можем, но чтобы обезопасить себя дома, надо грамотно устанавливать бытовые устройства в комнатах.

Итак, свойства электромагнитных волн:

1. Электромагнитная волна представляет собой распространение в пространстве с течением времени переменных (вихревых) электрических и магнитных полей.

2. Электромагнитные волны излучаются зарядами, которые движутся с ускорением, например, при колебаниях. Причем, чем больше ускорение колеблющихся зарядов, тем больше интенсивность излучения волны.

3. Векторы  и в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны.

4.Электромагнитная волна является поперечной.

Разбор тренировочного задания

1. Определить, на какой частоте работает передатчик, если длина излучаемых им волн равна 200 м.

Дано: 𝛌=200 м с=3·108 м/с 𝞶 -?

Решение: Частоту выражаем через длину волны и скорость.

Ответ:

2. Ёмкость конденсатора колебательного контура Какова индуктивность катушки контура, если идет прием станции, работающей на длине волны 1000 метров?

Дано: 𝛌= 1000 м с=3·108 м/с L- ?

Решение: Формула Томсона для периода колебаний: Период колебаний выражаем через длину волны и скорость:

Ответ:

кратко и понятно о вечном споре – Москва 24, 07.05.2018

Сегодня трудно представить нашу жизнь без радио: кто-то слушает его с утра до вечера на работе, кто-то включает в автомобиле по дороге домой, чтобы послушать любимую музыку, а кто-то – только чтобы узнать последние новости. Но мало кто знает, кто и что стоит за изобретением самого радиоприемника.

Фото: depositphotos/[email protected]

На заседании Русского физико-химического общества в Петербурге 7 мая 1895 года Александр Попов продемонстрировал «прибор, предназначенный для показывания быстрых колебаний в атмосферном электричестве». Другими словами – радиоприемник, и осуществил первый сеанс радиосвязи. Полувековой юбилей этого события в СССР отмечали накануне Победы, 7 мая 1945 года. Тогда же и было принято решение сделать День радио ежегодным праздником.

Изобретателем радиотелеграфии Попова считают в странах постсоветского пространства. В других странах примерно в то же время лучшие ученые также работали над созданием подобных устройств. Поэтому в США изобретателем считают Николу Теслу, в Германии – Генриха Герца, во Франции – Эдуарда Бранли, в Бразилии – Ланделя де Муру, в Англии – Оливера Джозефа Лоджа, а в Индии – Джагадиша Чандру Боше.

Со скоростью света

Мировое сообщество никак не может определиться: кем же все-таки было изобретено радио, потому что все эти великие ученые так или иначе внесли свой вклад в развитие науки. Краткая хронология открытий такова: в 1845 году английский физик и химик Майкл Фарадей открыл электромагнитное поле, и это было одним из самых важных открытий человечества в XIX веке. Спустя 20 лет после этого англичанин Джеймс Кларк Максвелл вывел теорию электромагнитного поля и рассчитал, что скорость электромагнитных волн равна скорости света. Его открытия сыграли ключевую роль в развитии физики и послужили фундаментом специальной теории относительности.

Спустя еще 20 лет Генрих Герц создал генератор и резонатор электромагнитных колебаний и продемонстрировал наличие электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве. По сути, этот прибор и был предшественником радио, но конструкция Герца передавала и принимала электромагнитные сигналы лишь на расстоянии нескольких метров. В Индии радиопередачу в миллиметровом диапазоне впервые продемонстрировали в ноябре 1894 года, за год до Александра Попова. Автором индийского изобретения стал Джагадиш Чандра Боше.

Фото: depositphotos/agcuesta1

Поэтому с технической точки зрения русский изобретатель Александр Попов и итальянский ученый Гульельмо Маркони не открыли ничего нового, а лишь создали прибор, взяв за основу открытия других своих предшественников. Однако идея радио пришла этим ученым примерно в одно и то же время.

Пальма первенства

Главными претендентами на звание изобретателя радиоприемника являются Попов, Маркони и Тесла. Все трое ученых никак не были связаны друг с другом и, проживая в разных странах, одновременно работали над одним и тем же изобретением.

Александр Попов изобрел радиопередатчик для целей военно-морского флота. В 1895 году на собрании российских физиков он прочел лекцию «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям» и продемонстрировал свое устройство, способное передавать сигналы азбукой Морзе. Ученый занялся усовершенствованием работы прибора и дальности приема и передачи сигнала от 60-ти до 250 метров, добившись вскоре увеличения расстояния до 600. А в 1899 году была обнаружена возможность приема сигналов с помощью телефона, изобретения Александра Белла, запатентованного еще в середине 1870-х.

Однако Попов не стремился рассказать всему миру о своих исследованиях, не спешил публиковать статьи о своем изобретении, интересуясь в основном практической частью. Поэтому, продемонстрировав работу радио-приемника в 1895 году, документально свое изобретение он никак не оформил.

Патент № 7777

Гульельмо Маркони изобрел свой радиоприемник и подал заявку на получение патента лишь в июне 1896 года. Бумага была выдана 2 июля 1897-го, спустя два года после демонстрации Поповым своей работы. Маркони получил документ, юридически закрепляющий его авторство, именно поэтому некоторые историки встают на его сторону и отдают ему пальму первенства. В 1900 году Маркони получил патент № 7777 на систему настройки радио, а 12 декабря 1901 он провел первый сеанс трансатлантической радиосвязи между Англией и Ньюфаундлендом на расстояние 3200 километров, что до этого казалось невозможным.

Радиоприемник «Звезда-54», представленный на выставке «Советский дизайн 1950-1980-х» в ЦВЗ «Манеж». Фото: ТАСС/ Александра Мудрац

Очередь американцев

А в 1943 году в спор о том, кем изобретено радио, вмешались американцы. В суде им удалось доказать, что их соотечественник, великий ученый Никола Тесла, первым запатентовал радиопередатчик – это произошло в 1893-м, а спустя два года – в 1895-м – радиоприемник. Его прибор работал по тому же принципу, по которому работают современные устройства, преобразовывая радиосигнал в акустический звук, а изобретения Попова и Маркони могли передавать и принимать радиосигналы только с азбукой Морзе.

С тех пор, конечно, изменилось и радиовещание, и сами радиоприемники. Когда-то радио будило гимном всю страну в шесть утра, сегодня эстеты слушают джаз, а коллекционеры готовы отдать большие деньги за винтажные радиоприемники. Но никто не подвергает сомнению значимость этого изобретения: кто бы его ни создал первым, принцип, на котором основывалась работа приемника, впоследствии сделал возможным изобретение мобильной связи, беспроводного интернета и дистанционного управления электронными устройствами, без которых мы сегодня не можем представить нашу жизнь.

Электромагнитная индукция — урок. Физика, 9 класс.

Индукционный ток

Великому английскому физику Майклу Фарадею потребовалось почти \(10\) лет, чтобы ответить в \(1831\) году на вопрос: как превратить магнетизм в электричество?

Эксперименты привели исследователя к однозначному ответу на данный вопрос.

Электрический ток в замкнутом контуре, возникающий при изменении магнитного поля, называется индукционным.

Индукционный ток, так же как и ток от гальванического элемента или аккумулятора, представляет собой упорядоченное движение электронов. 

Причины электромагнитной индукции

Явление возникновения индукционного тока в контуре называют электромагнитной индукцией.

Многочисленные опыты М. Фарадея привели к выводу, что индукционный ток в контуре, замкнутом на гальванометр, возникает при изменении:

• магнитного поля;

• площади контура;

• ориентации контура в магнитном поле. 

 

Во всех случаях изменяется число линий магнитной индукции, то есть меняется магнитный поток.

На рисунке представлен пример отсутствия появления индукционного тока при вращении магнита вокруг вертикальной оси.

 

Развитие электротехники в России

В России электротехника развивалась интенсивно с поддержки Николая I. Развитие электротехники в Европе отозвалось открытиями и изобретениями в России.

 

В \(1833\) году русский учёный Эмилий Христианович Ленц доказал, что электрическая машина может работать как электродвигатель и как генератор электричества. Такое свойство назвали обратимостью электрических машин.

 

В \(1834\) году Борис Семёнович Якоби построил действующий «магнитный аппарат» вращательного движения — классический электродвигатель; послал описание в Парижскую академию наук.

 

В \(1888\) году Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрёл трёхфазный генератор переменного тока, в \(1889\) году — электродвигатель переменного тока, в \(1890\) году — трансформатор трёхфазного тока. На Всемирной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне (\(1891\)) представил изобретённую систему передачи трёхфазного тока на расстояние \(170\) км.

 

 

Применение электромагнитной индукции

Принцип работы индукционной плиты основан на явлении электромагнитной индукции. Индукционные токи при изменении магнитного поля возникают не только в проволочных контурах, но и в массивных образцах металла. Эти токи называют вихревыми токами, или токами Фуко. В массивных проводниках вследствие малости электрического сопротивления токи могут быть очень большими и вызывать значительное нагревание. Принцип работы индукционной плиты показан на рисунке. Под стеклокерамической поверхностью плиты находится катушка индуктивности, по которой протекает переменный электрический ток, создающий переменное магнитное поле. Частота тока составляет \(20\)–\(60\) кГц. В дне посуды наводятся токи индукции, которые нагревают его, а заодно и помещённые в посуду продукты. Нет никакой теплопередачи снизу вверх, от конфорки через стекло к посуде, а значит, нет и тепловых потерь. С точки зрения эффективности использования потребляемой электроэнергии индукционная плита выгодно отличается от всех других типов кухонных плит.

 

 

1 — посуда из ферромагнитного материала;

2 — стеклокерамическая поверхность;

3 — слой изоляции;

4 — катушка индуктивности.

 

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 одно 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 электромагнитной индукции , 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 силовых линий, , 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 в качестве лаборанта 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 служат 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, прилагаемая 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 за отправную точку работы Эрстеда и Ампера по магнитным свойствам электрических токов и в 1831 году получил электрический ток из 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 он был описан 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 г. г. 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 своего документа Dairy :

.

«Сегодня работал с магнитными силовыми линиями, проводя 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 связь магнитной силы и света 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 Уитстона охватил 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 того времени — 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 свой доклад, в котором говорится:

.

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

Однако эта идея Фарадея была воспринята со значительным скепсисом 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 силовых линий магнитного поля, 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 , , 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 он 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

• А. Диас-Хеллин, Фарадей: 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)

Электромагнитный ротационный аппарат Майкла Фарадея (двигатель)

Этот простой на вид объект был создан Майклом Фарадеем в 1822 году.Его простота маскирует его истинное значение как первого из сохранившихся электродвигателей.

В 1820 году Ганс Кристиан Эрстед объявил о своем открытии, согласно которому электрический ток, протекающий по проводу, создает вокруг него магнитное поле. Андре-Мари Ампер продолжил и показал, что магнитная сила, по-видимому, была круговой, создавая, по сути, цилиндр магнетизма вокруг провода. Такой круговой силы раньше не наблюдалось.

Британский ученый-самоучка Майкл Фарадей (1791–1867) первым понял, что означают эти открытия.Если магнитный полюс можно изолировать, он должен постоянно перемещаться по кругу вокруг токоведущего провода.

В 1821 году Фарадей попытался понять работу Эрстеда и Ампера, разработав свой собственный эксперимент с использованием небольшой ртутной ванны. Это устройство, преобразовывающее электрическую энергию в механическую, было первым электродвигателем.

Этот прибор — единственный сохранившийся оригинальный образец, сделанный Фарадеем на следующий год после его открытия в 1822 году.

Двигатель имеет жесткий провод, который свешивается в стеклянный сосуд, на дне которого закреплен стержневой магнит.Тогда стеклянный сосуд будет частично заполнен ртутью (металлом, который является жидким при комнатной температуре и является отличным проводником). Фарадей подключил свой аппарат к батарее, которая пропускала электричество по проводу, создавая вокруг него магнитное поле. Это поле взаимодействовало с полем вокруг магнита и заставляло проволоку вращаться по часовой стрелке.

Это открытие привело Фарадея к размышлениям о природе электричества. В отличие от своих современников, он не был убежден, что электричество — это материальный флюид, который течет по проводам, как вода по трубе.Вместо этого он думал об этом как о вибрации или силе, которые каким-то образом передаются в результате напряжений, созданных в проводнике.

Что такое закон индукции Фарадея?

Закон индукции Фарадея описывает, как электрический ток создает магнитное поле и, наоборот, как изменяющееся магнитное поле генерирует электрический ток в проводнике. Английский физик Майкл Фарадей получил признание за открытие магнитной индукции в 1830 году; однако, по данным Техасского университета, американский физик Джозеф Генри, независимо друг от друга, сделал то же открытие примерно в то же время.

Значение открытия Фарадея невозможно переоценить. Магнитная индукция позволяет создавать электродвигатели, генераторы и трансформаторы, которые составляют основу современных технологий. Понимая и используя индукцию, мы получаем электрическую сеть и многие вещи, которые мы к ней подключаем.

Закон Фарадея позже был включен в более полные уравнения Максвелла, по словам Майкла Дабсона, профессора физики в Университете Колорадо в Боулдере.Уравнения Максвелла были разработаны шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом, чтобы объяснить взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, по сути объединив их в единую электромагнитную силу и описав электромагнитные волны, из которых состоят радиоволны, видимый свет и рентгеновские лучи.

Электричество

Электрический заряд — фундаментальное свойство материи, согласно Рочестерскому технологическому институту. Хотя трудно описать, что это на самом деле, мы хорошо знакомы с тем, как он ведет себя и взаимодействует с другими зарядами и полями.По словам Серифа Урана, профессора физики в Питтсбургском государственном университете, электрическое поле от локализованного точечного заряда относительно просто. Он описывает ее как излучающую одинаково во всех направлениях, как свет от голой лампочки, и уменьшающуюся в силе как обратный квадрат расстояния (1/ r ² ) в соответствии с законом Кулона. Когда вы отодвигаетесь вдвое дальше, напряженность поля уменьшается до одной четвертой, а когда вы удаляетесь в три раза дальше, она уменьшается до одной девятой.

Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. Однако протоны в основном иммобилизованы внутри атомных ядер, поэтому перенос заряда из одного места в другое выполняют электроны. Электроны в проводящем материале, таком как металл, в значительной степени могут свободно перемещаться от одного атома к другому по своим зонам проводимости, которые являются высшими электронными орбитами. Достаточная электродвижущая сила (ЭДС) или напряжение вызывает дисбаланс заряда, который может заставить электроны перемещаться по проводнику из области с более отрицательным зарядом в область с более положительным зарядом.Это движение мы называем электрическим током.

Магнетизм

Чтобы понять закон индукции Фарадея, важно иметь базовые представления о магнитных полях. По сравнению с электрическим полем магнитное поле более сложное. По данным Государственного университета Сан-Хосе, хотя положительные и отрицательные электрические заряды могут существовать отдельно, магнитные полюса всегда приходят парами — северный и южный. Как правило, магниты всех размеров — от субатомных частиц до магнитов промышленных размеров до планет и звезд — являются диполями, то есть каждый из них имеет два полюса.Мы называем эти полюса северным и южным по направлению, в котором указывают стрелки компаса. Интересно, что поскольку противоположные полюса притягиваются и, как полюса, отталкиваются, северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным магнитным полюсом, потому что он притягивает северные полюса стрелок компаса.

Магнитное поле часто изображают в виде линий магнитного потока. В случае стержневого магнита силовые линии выходят из северного полюса и изгибаются, чтобы снова войти в южный полюс. В этой модели количество силовых линий, проходящих через данную поверхность в пространстве, представляет собой плотность потока или напряженность поля.Однако следует отметить, что это всего лишь модель. Магнитное поле гладкое и непрерывное и фактически не состоит из дискретных линий.

Силовые линии магнитного поля от стержневого магнита. (Изображение предоставлено snapgalleria Shutterstock)

Магнитное поле Земли создает огромный магнитный поток, но он рассеивается в огромном объеме космоса. Следовательно, только небольшое количество потока проходит через данную область, что приводит к относительно слабому полю. Для сравнения, магнитный поток от магнита-холодильника крошечный по сравнению с магнитным потоком Земли, но его сила поля во много раз сильнее на близком расстоянии, где его силовые линии гораздо более плотно упакованы.Однако по мере удаления поле быстро становится намного слабее.

Индукция

Если пропустить через провод электрический ток, вокруг него возникнет магнитное поле. Направление этого магнитного поля можно определить по правилу правой руки. По данным физического факультета Университета штата Нью-Йорк Буффало, если вы вытянете большой палец и согнете пальцы правой руки, ваш большой палец будет указывать в положительном направлении тока, а пальцы согнуты в северном направлении магнитного поля. .

Правило левой и правой руки для магнитного поля, вызванного током в прямом проводе. (Изображение предоставлено Фуадом А. Саадом Shutterstock)

Если вы согнете провод в петлю, силовые линии магнитного поля согнутся вместе с ним, образуя тороид или форму пончика. В этом случае ваш большой палец указывает в северном направлении магнитного поля, выходящего из центра петли, а ваши пальцы будут указывать в положительном направлении тока в петле.

В круговой петле с током (а) правило правой руки задает направление магнитного поля внутри и снаружи петли.(б) Более подробное отображение поля, подобное полю стержневого магнита. (Изображение предоставлено OpenStax)

Если мы пропустим ток через проволочную петлю в магнитном поле, взаимодействие этих магнитных полей будет оказывать скручивающую силу или крутящий момент в петле, заставляя ее вращаться, согласно данным Рочестерского института. Технология. Однако он будет вращаться только до тех пор, пока магнитные поля не выровняются. Если мы хотим, чтобы петля продолжала вращаться, мы должны изменить направление тока, что изменит направление магнитного поля петли.Затем петля повернется на 180 градусов, пока ее поле не выровняется в другом направлении. Это основа электродвигателя.

И наоборот, если мы вращаем проволочную петлю в магнитном поле, поле будет индуцировать электрический ток в проводе. Направление тока меняется каждые пол-оборота, создавая переменный ток. Это основа электрогенератора. Здесь следует отметить, что это не движение провода, а скорее размыкание и замыкание петли по отношению к направлению поля, которое индуцирует ток.Когда петля обращена лицом к полю, через петлю проходит максимальное количество магнитного потока. Однако, когда петля повернута ребром к полю, силовые линии не проходят через петлю. Именно это изменение величины магнитного потока, проходящего через контур, вызывает ток.

Еще один эксперимент, который мы можем провести, — сформировать из провода петлю и подключить концы к чувствительному измерителю тока или гальванометру. Если затем протолкнуть стержневой магнит через петлю, стрелка гальванометра переместится, указывая на индуцированный ток.Однако, как только мы останавливаем движение магнита, ток возвращается к нулю. Поле от магнита будет индуцировать ток только тогда, когда он увеличивается или уменьшается. Если мы вытащим магнит обратно, он снова вызовет ток в проводе, но на этот раз он будет в противоположном направлении.

Магнит в проволочной петле, подключенной к гальванометру. (Изображение предоставлено: Фуад А. Саад Shutterstock)

Если бы мы включили в цепь электрическую лампочку, она рассеивала бы электрическую энергию в виде света и тепла, и мы бы почувствовали сопротивление движению магнита при движении. это внутри и вне цикла.Чтобы переместить магнит, мы должны выполнять работу, эквивалентную энергии, используемой лампочкой.

В еще одном эксперименте мы могли бы построить две проволочные петли, подключить концы одной к батарее с помощью переключателя, а концы другой петли подключить к гальванометру. Если мы поместим две петли близко друг к другу лицом к лицу и включим питание первой петли, гальванометр, подключенный ко второй петле, покажет индуцированный ток, а затем быстро вернется к нулю.

Здесь происходит то, что ток в первом контуре создает магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует ток во втором контуре, но только на мгновение, когда магнитное поле изменяется. Когда вы выключаете переключатель, счетчик на мгновение отклоняется в противоположном направлении. Это еще один признак того, что ток индуцирует изменение интенсивности магнитного поля, а не его сила или движение.

Объяснение этому состоит в том, что магнитное поле заставляет электроны в проводнике двигаться.Это движение называется электрическим током. В конце концов, однако, электроны достигают точки, в которой они находятся в равновесии с полем, и в этой точке они перестают двигаться. Затем, когда поле снимается или выключается, электроны возвращаются в свое исходное положение, создавая ток в противоположном направлении.

В отличие от гравитационного или электрического поля, магнитное дипольное поле представляет собой более сложную трехмерную структуру, сила и направление которой различаются в зависимости от места измерения, поэтому для ее полного описания требуется расчет.Однако мы можем описать упрощенный случай однородного магнитного поля — например, очень маленький участок очень большого поля — как Φ B = BA , где Φ B — абсолютное значение магнитного потока. , B — это напряженность поля, а A — это определенная область, через которую проходит поле. Наоборот, в этом случае напряженность магнитного поля — это поток на единицу площади, или B = Φ B / A .

Закон Фарадея

Теперь, когда у нас есть базовое понимание магнитного поля, мы готовы определить закон индукции Фарадея.Он утверждает, что индуцированное напряжение в цепи пропорционально скорости изменения во времени магнитного потока, проходящего через эту цепь. Другими словами, чем быстрее изменяется магнитное поле, тем больше будет напряжение в цепи. Направление изменения магнитного поля определяет направление тока.

Увеличить напряжение можно за счет увеличения количества витков в цепи. Индуцированное напряжение в катушке с двумя петлями будет вдвое больше, чем с одной петлей, а с тремя петлями — втрое.Вот почему настоящие двигатели и генераторы обычно имеют большое количество катушек.

Теоретически моторы и генераторы одинаковы. Если вы включите двигатель, он будет вырабатывать электричество, а подача напряжения на генератор заставит его вращаться. Однако большинство реальных двигателей и генераторов оптимизированы только для одной функции.

Трансформаторы

Еще одним важным приложением закона индукции Фарадея является трансформатор, изобретенный Николой Тесла. В этом устройстве переменный ток, который меняет направление много раз в секунду, проходит через катушку, намотанную вокруг магнитного сердечника.Это создает изменяющееся магнитное поле в сердечнике, которое, в свою очередь, индуцирует ток во второй катушке, намотанной вокруг другой части того же магнитного сердечника.

Схема трансформатора (Изображение предоставлено photoiconix Shutterstock)

Отношение числа витков в катушках определяет соотношение напряжения между входным и выходным током. Например, если мы возьмем трансформатор со 100 витками на входе и 50 витками на выходе, и введем переменный ток 220 вольт, выход будет 110 вольт.Согласно Hyperphysics, трансформатор не может увеличивать мощность, которая является произведением напряжения и тока, поэтому, если напряжение повышается, ток пропорционально понижается, и наоборот. В нашем примере входное напряжение 220 В при 10 А или 2200 Вт даст выходное напряжение 110 В при 20 А, опять же 2200 Вт. На практике трансформаторы никогда не бывают идеально эффективными, но, по данным Техасского университета, потери мощности хорошо спроектированного трансформатора обычно составляют всего несколько процентов.

Трансформаторы делают возможной электрическую сеть, от которой мы зависим для нашего промышленного и технологического общества. Линии передачи по пересеченной местности работают под напряжением в сотни тысяч вольт, чтобы передавать больше энергии в пределах допустимого для проводов тока. Это напряжение многократно понижается с помощью трансформаторов на распределительных подстанциях, пока оно не достигнет вашего дома, где оно, наконец, понижается до 220 и 110 вольт, которые могут запустить вашу электрическую плиту и компьютер.

Дополнительные ресурсы

BBC — История — Майкл Фарадей

Майкл Фарадей © Фарадей был британским химиком и физиком, внесшим значительный вклад в изучение электромагнетизма и электрохимии.

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года на юге Лондона. Его семья была небогатой, и Фарадей получил только базовое формальное образование. Когда ему было 14 лет, он поступил в ученики к местному переплетчику и в течение следующих семи лет учился, читая книги по широкому кругу научных предметов. В 1812 году Фарадей посетил четыре лекции, прочитанные химиком Хэмфри Дэви в Королевском институте. Впоследствии Фарадей написал Дэви, прося устроиться его помощником.Дэви отказал ему, но в 1813 году назначил его помощником химика в Королевском институте.

Год спустя Фарадея пригласили сопровождать Дэви и его жену в 18-месячное европейское турне, в котором они побывали во Франции, Швейцарии, Италии и Бельгии и встретились со многими влиятельными учеными. Вернувшись в 1815 году, Фарадей продолжил работать в Королевском институте, помогая Дэви и другим ученым проводить эксперименты. В 1821 году он опубликовал свою работу об электромагнитном вращении (принцип, лежащий в основе электродвигателя).В 1820-х годах, будучи занятым другими проектами, он не смог провести никаких дальнейших исследований. В 1826 году он основал Пятничные вечерние лекции Королевского института и в том же году Рождественские лекции, которые продолжаются и по сей день. Он сам прочитал много лекций, заслужив репутацию выдающегося научного лектора своего времени.

В 1831 году Фарадей открыл электромагнитную индукцию, принцип, лежащий в основе электрического трансформатора и генератора. Это открытие сыграло решающую роль в превращении электричества из диковинки в новую мощную технологию.В течение оставшейся части десятилетия он работал над развитием своих идей об электричестве. Отчасти он был ответственен за создание многих знакомых слов, включая «электрод», «катод» и «ион». Научные знания Фарадея использовались для практического использования на различных официальных должностях, включая должности научного советника Тринити-хауса (1836-1865) и профессора химии в Королевской военной академии в Вулидже (1830-1851).

Однако в начале 1840-х годов здоровье Фарадея начало ухудшаться, и он стал меньше заниматься исследованиями.Он умер 25 августа 1867 года в Хэмптон-Корте, где ему предоставили официальное жилье в знак признания его вклада в науку. Он дал свое имя «фараду», первоначально обозначавшему единицу электрического заряда, но позже единицу электрической емкости.

Молекулярные выражения: электричество и магнетизм

Эксперимент Фарадея по индукции магнитного поля Когда Майкл Фарадей сделал свое открытие электромагнитной индукции в 1831 году, он предположил, что изменяющееся магнитное поле необходимо для индукции тока в соседней цепи.Чтобы проверить свою гипотезу, он сделал катушку, обмотав бумажный цилиндр проволокой. Он подключил катушку к гальванометру, а затем перемещал магнит вперед и назад внутри цилиндра. Щелкните и перетащите магнит назад и вперед внутри катушки. Когда вы перемещаете магнит вперед и назад, обратите внимание, что стрелка гальванометра движется, указывая на то, что в катушке индуцируется ток. Также обратите внимание, что стрелка сразу же возвращается в ноль, когда магнит не движется.Фарадей подтвердил, что для возникновения электромагнитной индукции необходимо движущееся магнитное поле. НАЗАД К РУКОВОДСТВАМ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ И МАГНИТИЗМУ Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо. © 1995-2021, автор — Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей.Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами. Этот веб-сайт обслуживается нашим Команда разработчиков графики и веб-программирования в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля . Последнее изменение: пятница, 31 марта 2017 г., 10:10 Счетчик доступа с 6 сентября 1999 г .: 2175826

4 способа, которыми Майкл Фарадей произвел революцию в мире

Майкл Фарадей, рожденный в одной из самых жестких классовых систем в истории, не был предназначен для того, чтобы стать влиятельным человеком.На рубеже 19-го века он провел свое детство в убогой лондонской квартире с небольшими возможностями и без формального образования, кроме начальной школы.

Но отсутствие родословной не помешало Фарадею стать одним из самых влиятельных ученых в мире. В 14 лет он начал учиться в местном магазине, где научился переплетному делу. Днем он собирал книги вместе, а ночью читал их, желая понять загадку электричества. К 21 году Фарадей продолжил свое дело — и, как назло, клиент дал ему билет, чтобы увидеть, как ведущий ученый Хамфри Дэви продемонстрирует чудо электричества.Фарадей не знал, что это станет поворотным моментом в его жизни и жизни общества в целом.

Удивившись лекции Дэви, Фарадей написал книгу, в которой красноречиво изобразил теории ученого. Этот жест произвел впечатление на Дэви, и он нанял молодого Фарадея в ученики. Остальное, как говорится, уже история. Вот лишь несколько причин, по которым Фарадей сделал наш мир таким, каким он является сегодня.

---

Пройдите тест: какой курс программирования мне подходит?

---

1. Он открыл электромагнитную индукцию

До того, как Фарадей сделал это на месте событий, ученые знали об электричестве, хотя они мало что сделали, чтобы использовать его на практике.Возьмем, к примеру, Джованни Альдини, который отправился в тур по Европе в 1803 году, чтобы убить труп на глазах у публики. В то время электричество было такой загадочной силой, что большинство мирян считали его похожим на магию больше всего на свете.

Фарадей все изменил, когда в 1831 году открыл электромагнитную индукцию. В ходе своих новаторских экспериментов он обнаружил, что, помещая проводник в изменяющееся магнитное поле, он создает напряжение на проводнике. Проще говоря? Он нашел способ вызвать электрический ток, и это открытие позже было применено ко многим устройствам, которые мы используем сегодня.

Спасибо, мистер Фарадей.

К 40 годам Фарадей изобрел электродвигатель, трансформатор и генератор. Без открытия электромагнитной индукции у нас не было бы беспроводной передачи энергии или звукоснимателей для электрогитары. Совершенно верно: вы можете поблагодарить сладкий, сладкий звук Джими Хендрикса в немалой степени открытиям Фарадея. В общем, Фарадей превратил электричество из исключительно развлечения в практическое и широкое применение.

2. Его изобретения преобразили дом, ферму и фабрику

Забудьте об этом модном холодильнике, который произвольно производит три разных типа кубиков льда.До появления электричества, которое можно использовать, почти все аспекты человеческой жизни функционировали иначе, чем сейчас. Люди во времена Фарадея жили дома с масляными лампами, деревянными ящиками для льда и угольными печами у сухих раковин.

Открытия Фарадея также революционизировали работу мелких фермеров практически во всех возможных смыслах. Электричество устранило ручной труд, такой как перекачивание воды, так что сельские семьи больше не тратили часы своего дня на то, чтобы таскать воду для скота или в дом.Автоматизированные системы для таких задач, как доение коров, не позволяли фермерам повредить руки, а угроза пожара в коровнике из-за опрокидывания масляных ламп во время раннего утреннего доения уменьшилась.

И хотя промышленная революция уже началась, когда появился Faraway, хлопкоочистительные и электрические ткацкие станки стали старыми новостями, поскольку такие чудеса, как швейные машины и телеграф, изменили способы работы и общения людей. От сотовых телефонов до кондиционеров, современные удобства, которые мы сейчас принимаем как должное, когда-то были всего лишь фантазией, без непрекращающегося удивления и любопытства Фарадея, которые подпитывали их.

3. Он посвятил свою жизнь обучению других

Подобно тому, как Фарадей удивлялся лекциям Дэви, у него также было желание передать это благоговение детям и будущим ученым. Как он однажды сказал: «Лектор должен дать аудитории все основания полагать, что все его силы были приложены для их удовольствия и обучения». Фарадей понимал не только важность преподавания, но и энтузиазм и любовь, стоящие за ним. Он происходил от человека, практически не имевшего формального образования, и его приверженность образованию была не чем иным, как экстраординарной.

Фарадей начал ежегодную лекцию и демонстрации для детей, которые продолжались с 1865 года до наших дней, а выдающиеся ученые, такие как Джулиан Хаксли, Дэвид Аттенборо, Карл Саган и Сьюзен Гринфилд, продолжали передавать факел. На протяжении всей своей жизни, даже когда Фарадея десятилетиями боролся с деменцией и депрессией, преданность Фарадея постоянно раздвигала границы науки — и с тех пор мир никогда не был прежним.

4. Он проводил кампанию против лженауки, которая в то время свирепствовала в Англии.Домашние сеансы стали обычным явлением; люди утверждали, что могут разговаривать с умершими родственниками; появились привидения; столы вращались, а предметы летели. Ясновидящие и медиумы представляли на сценах огромной толпе. Некоторые выдающиеся ученые даже приветствовали спиритизм как новую физику. Фарадей видел во всем этом отказ от своих усилий по созданию более научно грамотного общества.

Несмотря на то, что Фарадей, как известно, избегал общественного внимания, он считал своим долгом раскрыть уловки спиритуалистов посредством лекций и демонстраций.Одним из таких приемов было «переворачивание стола». Получив письмо за письмом, в котором объяснялось, что это связано с духами, электричеством, магнетизмом или любым другим числом сил, Фарадей решил продемонстрировать, что за этим явлением не стояли никакие сверхъестественные силы. Перед аудиторией, состоящей из «очень благородных» людей, Фарадей построил чувствительный рычаг индикатора на столе, чтобы показать, что поворот стола не был результатом сверхъестественных сил, а просто непреднамеренного механического давления человеческих рук — он повернулся, потому что люди ожидали он повернулся и неосознанно заставил его себя.

---

Хотите внести свой вклад в развитие технологий? Обучение программированию — один из способов начать! Попробуйте наш бесплатный семинар по программированию или изучите Ruby и изучите JavaScript бесплатно сегодня. Тогда решите для себя: стоит ли того?

Если вы думаете о новой карьере, но не знаете, как профинансировать свой учебный курс, прочтите «Как оплатить учебный курс по программированию» или посетите страницу «Обучение и финансирование».

Майкл Фарадей — Биография, факты и изображения

Жил 1791 — 1867 гг.

Майкл Фарадей, происходивший из очень бедной семьи, стал одним из величайших ученых в истории. Его достижения были выдающимися в то время, когда наука обычно была прерогативой людей, рожденных в богатых семьях. Единица электрической емкости названа в его честь фарад и с символом F.

.

Образование и ранняя жизнь

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в Лондоне, Англия, Великобритания. Он был третьим ребенком Джеймса и Маргарет Фарадей.Его отец был кузнецом, у которого было слабое здоровье. До брака его мать была служанкой. Семья жила в бедности.

Майкл Фарадей до 13 лет посещал местную школу, где получил базовое образование. Чтобы заработать денег для семьи, он начал работать посыльным в книжном магазине. Он много работал и произвел впечатление на своего работодателя. Через год его повысили до ученика переплетчика.

Объявления

Переплетное дело и открытие науки

Майкл Фарадей стремился узнать больше об окружающем мире — он не ограничивался переплетом книг магазина.После тяжелой работы каждый день он проводил свободное время за чтением переплетенных книг.

Постепенно он обнаружил, что все больше и больше читает о науке. Его особенно увлекли две книги:

• Британская энциклопедия — его источник электрических знаний и многое другое
• Беседы по химии — 600 страниц химии для обычных людей, написанные Джейн Марсет

Он был настолько очарован, что начал тратить часть своего скудного заработка на химические вещества и аппаратуру, чтобы подтвердить истинность того, что он читал.

Узнав больше о науке, он услышал, что известный ученый Джон Татум собирается прочитать серию публичных лекций по естественной философии (физике). Плата за посещение лекций составит один шиллинг — слишком много для Майкла Фарадея. Его старший брат, кузнец, впечатленный растущей преданностью брата науке, дал ему необходимый шиллинг.

Стоит сказать, что параллели в жизнях Майкла Фарадея и Джозефа Генри довольно разительны.Оба родились в бедности; были отцы, которые часто не могли работать из-за плохого состояния здоровья; стали учениками; были вдохновлены стать учеными, читая определенные книги; были искренне религиозными; стали лаборантами; их наибольший вклад был сделан в ту же научную эпоху в области электротехники; и у обоих есть единица СИ, названная в их честь.

Введение в науку Хэмфри Дэви и другие

Образование Фарадея сделало еще один шаг вперед, когда Уильям Дэнс, клиент книжного магазина, спросил, не хочет ли он получить билеты на то, чтобы послушать лекцию сэра Хэмфри Дэви в Королевском институте.

Сэр Хэмфри Дэви был одним из самых известных ученых в мире. Фарадей ухватился за этот шанс и посетил четыре лекции по одной из новейших проблем химии — определению кислотности. На лекциях он наблюдал, как Дэви проводит эксперименты.

Это был мир, в котором он хотел жить, сказал он себе. Он делал заметки, а затем сделал так много дополнений к заметкам, что создал рукописную книгу на 300 страниц, которую переплел и отправил Дэви в качестве дани.

Рисунок Джеймса Гиллрея 1802 года с еще одной захватывающей научной лекцией в Королевском институте! Хамфри Дэви — темноволосый мужчина, держащий газовый баллон.

В это время Фарадей начал более изощренные эксперименты в задней части книжного магазина, построив электрическую батарею из медных монет и цинковых дисков, разделенных влажной соленой бумагой. Он использовал свою батарею для разложения химических веществ, таких как сульфат магния. Это был тип химии, который впервые применил Хэмфри Дэви.

В октябре 1812 года ученичество Фарадея закончилось, и он начал работать переплетчиком у нового работодателя, что ему не понравилось.

Чужие несчастья помогают Фарадею

А потом произошла удачная (для Фарадея) авария.Сэр Хэмфри Дэви пострадал в результате взрыва, когда эксперимент пошел не так, как надо: это временно повлияло на его способность писать. Фарадею удалось найти работу в течение нескольких дней, делая заметки для Дэви, который был впечатлен книгой, которую послал ему Фарадей. В конце концов, в переплетчике есть свои преимущества!

Когда его короткое время в качестве делопроизводителя Дэви закончилось, Фарадей послал Дэви записку, в которой спрашивал, можно ли его нанять в качестве его помощника. Вскоре после этого один из лаборантов Дэви был уволен за проступки, и Дэви послал Фарадею сообщение с вопросом, не хочет ли он работать помощником химика.

Хотел бы он работу? Работаете в Королевском институте с одним из самых известных ученых мира? Ответ мог быть только один!

Время жизни Фарадея в контексте

Время жизни Фарадея и время жизни связанных ученых и математиков.

Карьера Майкла Фарадея в Королевском институте

Фарадей начал работать в Королевском институте Великобритании 1 марта 1813 года в возрасте 21 года.

Его зарплата была хорошей, и ему дали комнату на чердаке Королевского института.Он был очень доволен тем, как все обернулось.

Ему суждено было проработать 54 года в Королевском институте, закончив профессором химии. Его первая работа была помощником химика, готовившим аппаратуру для экспериментов и лекций. Это включало работу с трихлоридом азота, взрывчатым веществом, которое уже ранило Дэви. Сам Фарадей на короткое время потерял сознание в результате очередного взрыва хлористого азота, а затем Дэви был снова ранен, в конце концов прекратив работу с этим конкретным веществом.

Всего через семь месяцев в Королевском институте Дэви взял Фарадея в качестве своего секретаря в турне по Европе, которое длилось 18 месяцев.

Фарадей встретил многих величайших ученых Европы, в том числе Алессандро Вольта, изображенного выше.

В это время Фарадей познакомился с великими учеными, такими как Андре-Мари Ампер в Париже и Алессандро Вольта в Милане. В некотором смысле тур был похож на университетское образование, и Фарадей многому научился.

Однако большую часть поездки он был недоволен, потому что помимо своей научной и секретарской работы от него требовалось быть личным слугой Дэви и его жены, что ему не нравилось.Жена Дэви отказалась относиться к Фарадею как к равному, потому что он происходил из семьи низшего сословия.

Но вернувшись в Лондон, все снова стало выглядеть лучше. Королевский институт продлил контракт Фарадея и увеличил ему зарплату. Дэви даже начал отмечать его в научных статьях:

«В долгу перед мистером Майклом Фарадеем за большую помощь».

В 1816 году, в возрасте 24 лет, Фарадей прочитал свою первую в истории лекцию о свойствах материи в Городском философском обществе.И он опубликовал свою первую академическую статью, в которой обсуждает свой анализ гидроксида кальция, в Ежеквартальном журнале науки .

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

В 1824 году, в возрасте 32 лет, он был избран членом Королевского общества.Это было признанием того, что он сам стал заметным ученым.

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

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

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

Научные достижения и открытия Майкла Фарадея

Было бы легко заполнить книгу подробностями обо всех открытиях Фарадея — как в химии, так и в физике.Не случайно Альберт Эйнштейн хранил в своем офисе фотографии трех ученых: Исаака Ньютона, Джеймса Клерка Максвелла и Майкла Фарадея.

Как ни странно, хотя при жизни Фарадея люди начали использовать слово физик, Фарадей не любил это слово и всегда называл себя философом.

Он был человеком, преданным открытиям посредством экспериментов, и он был известен , никогда не отказывался от идей, которые исходили из его научной интуиции.

Если он думал, что идея хороша, он продолжал экспериментировать, несмотря на множество неудач, пока не получал то, что ожидал; или пока он, наконец, не решил, что мать-природа показала, что его интуиция ошибочна — но в случае с Фарадеем это было редкостью.

Вот некоторые из его наиболее заметных открытий:

1821: Открытие электромагнитного вращения

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

Аппарат электромагнитного вращения Фарадея. Электричество течет по проводам. Жидкость в чашках — это ртуть, хороший проводник электричества. В чашке справа металлический провод непрерывно вращается вокруг центрального магнита, пока электрический ток течет по цепи.

1823: Сжижение газа и охлаждение

В 1802 году Джон Далтон заявил, что верит в то, что все газы можно сжижать, используя низкие температуры и / или высокие давления.Фарадей представил убедительные доказательства веры Далтона, когда он использовал высокое давление для получения первых в истории жидких образцов хлора и аммиака.

Показав, что аммиак можно сжижать под давлением, а затем испарять, вызывая охлаждение, привело к промышленному охлаждению.

Сжижение аммиака представляло дополнительный интерес, потому что Фарадей заметил, что, когда он позволил аммиаку снова испариться, это вызвало охлаждение.

Принцип охлаждения путем искусственного испарения был публично продемонстрирован Уильямом Калленом в Эдинбурге в 1756 году.Каллен использовал насос, чтобы снизить давление над колбой с эфиром, в результате чего эфир быстро испарился. Испарение вызвало охлаждение, и на внешней стороне колбы образовался лед, когда с ней контактировала влага из воздуха.

Важность открытия Фарадея заключалась в том, что он показал, что механические насосы могут преобразовывать газ при комнатной температуре в жидкость. Затем жидкость может быть испарена, охлаждая окружающую среду, и полученный газ может быть собран и снова сжат насосом в жидкость, после чего весь цикл может быть повторен.Это основа того, как работают современные холодильники и морозильники.

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

1825: Открытие бензола

Исторически бензол является одним из наиболее важных веществ в химии, как в практическом смысле, т. Е. Для создания новых материалов; и в теоретическом смысле — i.е. понимание химической связи. Майкл Фарадей обнаружил бензол в маслянистых остатках, оставшихся после производства газа для освещения в Лондоне.

Модель молекулы бензола.

1831: Открытие электромагнитной индукции

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

Перемещение магнита вызывает протекание тока.Вам понадобится чувствительный амперметр, чтобы наблюдать крошечный ток, вызываемый небольшим магнитом. Чем сильнее магнит, тем больше ток. Вставка стержневого магнита в катушку с проволокой может генерировать больший ток.

Например, перемещение подковообразного магнита по проводу создает электрический ток, потому что движение магнита вызывает изменяющееся магнитное поле.

Раньше люди могли производить электрический ток только с помощью батареи. Теперь Фарадей показал, что движение можно превратить в электричество — или, говоря более научным языком, кинетическую энергию можно преобразовать в электрическую.

Большая часть электроэнергии в наших домах сегодня производится по этому принципу. Вращение (кинетическая энергия) преобразуется в электричество с помощью электромагнитной индукции. Вращение может быть произведено паром высокого давления от угольных, газовых или ядерных турбин; или гидроэлектростанциями; или, например, с помощью ветряных турбин.

1834: Законы электролиза Фарадея

Фарадей был одним из основных участников создания новой науки электрохимии, изучающей события на границах раздела электродов с ионными веществами.Электрохимия — это наука, которая создала литий-ионные батареи и металлогидридные батареи, способные питать современные мобильные технологии. Законы Фарадея жизненно важны для нашего понимания батарей и электродных реакций.

1836: Изобретение клетки Фарадея

Фарадей обнаружил, что когда любой электрический проводник становится заряженным, весь дополнительный заряд находится на внешней стороне проводника. Это означает, что наценка не появляется внутри комнаты или клетки из металла.

На изображении вверху этой страницы изображен мужчина в костюме Фарадея с металлической подкладкой, защищающей его от электричества вне его костюма.

Помимо защиты людей, внутри клетки Фарадея можно проводить чувствительные электрические или электрохимические эксперименты, чтобы предотвратить помехи от внешней электрической активности.

Клетки Фарадея также могут создавать мертвые зоны для мобильной связи.

Здесь металлический кузов автомобиля действует как клетка Фарадея, защищая пассажиров от электрического разряда.

1845: Открытие эффекта Фарадея — магнитооптического эффекта

Это был еще один жизненно важный эксперимент в истории науки, первый, который связал электромагнетизм и свет — связь, наконец, полностью описанная уравнениями Джеймса Клерка Максвелла в 1864 году, которые установили, что свет является электромагнитной волной.

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

… Когда противоположные магнитные полюса находились на одной стороне, на поляризованный луч оказывался эффект, и, таким образом, было доказано, что магнитная сила и свет связаны друг с другом…

Майкл Фарадей, 1791 — 1867

Фарадей был и всегда должен оставаться отцом этой расширенной науки электромагнетизма.

Джеймс Клерк Максвелл, 1831 — 1879

1845: Открытие диамагнетизма как свойства всей материи

Большинство людей знакомо с ферромагнетизмом — типом, показываемым обычными магнитами.

Лягушка слегка диамагнитна. Диамагнетизм противостоит магнитному полю — в данном случае очень сильному магнитному полю — и лягушка плавает из-за магнитного отталкивания. Изображение сделано Лиджнис Нелеманс, Лаборатория высокопольных магнитов, Университет Радбауд, Неймеген.

Фарадей обнаружил, что все вещества диамагнитны, — большинство слабо, некоторые — сильно.

Диамагнетизм противоположен направлению приложенного магнитного поля.

Например, если вы поднесете северный полюс магнита к сильно диамагнитному веществу, это вещество будет оттеснено магнитом.

Диамагнетизм материалов, вызванный очень сильными современными магнитами, можно использовать для создания левитации. Даже живые существа, такие как лягушки, диамагнитны — и их можно левитировать в сильном магнитном поле.

Конец

Майкл Фарадей умер 25 августа 1867 года в Лондоне в возрасте 75 лет. У него осталась жена Сара. У них не было детей. Всю свою жизнь он был набожным христианином, принадлежащим к небольшой ветви религии, называемой сандеманианцами.

При жизни ему предложили погребение в Вестминстерском аббатстве вместе с британскими королями и королевами и учеными уровня Исаака Ньютона. Он отказался от этого в пользу более скромного места отдыха. Его могилу, где также похоронена Сара, все еще можно увидеть на лондонском кладбище Хайгейт.

Природа — наш самый добрый друг и лучший критик в экспериментальной науке, если мы только позволим ее предположениям беспристрастно проникнуть в наши умы.

Майкл Фарадей, 1791 — 1867

Чем больше мы изучаем работы Фарадея с точки зрения времени, тем больше нас впечатляет его непревзойденный гений экспериментатора и натурфилософа. Когда мы рассматриваем масштабы и масштабы его открытий и их влияние на прогресс науки и промышленности, нет слишком большой чести, чтобы отдать дань памяти Майклу Фарадею — одному из величайших открывателей науки всех времен.

Эрнест Резерфорд, 1931

… Вспоминая два названия основной работы Фарадея: «Намагничивание света», «Освещение силовых линий».

Они кажутся нам почти пророчествами, потому что теперь мы увидели, что свет на самом деле может быть намагничен, и … в самой природе, в северном сиянии, пример освещения магнитных силовых линий Земли электронами. убегая от солнца.

Питер Зееман, Нобелевская премия по физике 1902 года

Объявления

Автор этой страницы: The Doc
© Все права защищены.

Цитируйте эту страницу

Используйте следующую ссылку, соответствующую требованиям MLA:

 «Майкл Фарадей». Известные ученые. famousscientists.org. 24 ноября 2014 г. Web.
. 

Опубликовано FamousScientists.org

Дополнительная литература
Альфред Маршалл Майер
Генри и Фарадей
Popular Science Monthly, том 18, ноябрь 1880 г.