Досліди Фарадея. Електромагнітна індукція. Майкл Фарадей

Досліди Фарадея внесли неоціненний вклад у формування сучасної науки. Простий хлопчик з бідної сім'ї здійснив справжній прорив у фізиці. Серед його експериментальних відкриттів – закон електромагнітної індукції, явище електролізу, циліндр фарадея. Вчений не тільки прагнув ставити нові досліди – він вибудував цілком зрозумілу теорію електромагнітних явищ, засновану на експериментальних даних.

Початок

Майкл Фарадей був сином коваля. Елементарні знання він отримав в школі для бідних, де навчився читати, писати і рахувати. У дев'ятирічному віці Фарадей розносить газети, а пізніше батько визначає його в учні палітурника. Допитливий хлопець читав всі книги, які йому віддавали на переплетення. Але найбільше йому подобалися наукові трактати. Так майбутній вчений розширював свій кругозір і знайомився з останніми досягненнями сучасної науки. Чудовий випадок звів його з сером Деві, який взяв його в секретарі. Нова професія дала йому можливість подорожувати по світу і підтримувати знайомство з видатними вченими того часу – Вольта, Гей-Люссаком, Ампером. Саме під впливом великих людей Фарадей починав свою наукову діяльність.

Перші відкриття

У жовтні 1832 року в щоденниках Фарадея з'явилася перша запис: "При проходженні струму площа пофарбованих ділянок на папері змінюється". Це послужило спостереження першим поштовхом до взаємодії хімічних реакцій і електричних явищ. Відхилення магнітної стрілки під дією електричного струму послужило молодому вченому основою для власного відкриття. Майкл Фарадей приступив до вивчення природи електричних явищ.

Відкриття Фарадея

Досліди з вивчення індукційних ефектів почалися близько 200 років тому Джозефом Генрі і Майклом Фарадеєм. Вчені досліджували електричний струм за допомогою двох дротяних спіралей, які були намотані на котушку з дерева. Одна з таких спіралей приєднувалася до гальванометру, який реєстрував слабкі струми. Друга спіраль повідомлялася з гальванічною батареєю. В момент замикання і розмикання ланцюга індикаторна стрілка гальванометра обов'язково відхилялася.




Так досліди Фарадея довели існування залежності між магнітними та електричними полями. Отримана взаємозв'язок носить назву «закон електромагнітної індукції». Коротко зміст цього явища можна описати як виникнення електричного струму в замкненому контурі при мінливому з часом магнітному потоці, який пронизує цей контур. Подальші досліди Фарадея присвячувалися вивченню цього явища.

Дослідження ЕМІ

Один з дослідів показав, що взаємодія магніту і котушки з струмом провокує появу індукційного струму. Фарадей пояснив це явище так: при внесенні магніту в котушку в ланцюзі виникає електричний струм, при винесенні також виникає струм, але іншого напряму. З'являється напруга залежить від швидкості руху магніту і від того, яким полюсом він занурюється в котушку. Другий досвід стосувався виникнення струму в одній котушці при зміні напруги в інший. Як довів Фарадей, таке явище виникає в момент подачі (припинення) струму в першому елементі. Провівши численні досліди Фарадея довів, що в замкнутих ланцюгах напруга виникає лише в тому випадку, коли дана ланцюг потрапляє в змінне магнітне поле. Виникаючий при цьому струм називається самонаводящимся або індукційним.

Електрорушійна сила

Сучасна наука стверджує, що в електричному ланцюзі виникає не певний струм, а електрорушійна сила (ЕРС), що провокує його появу. Експерименти показали, що в контурі при зміні магнітного потоку виникає ЕРС. Її формулу можна записати наступним чином: Сенс цього виразу полягає в тому, що ЕРС дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, відображеної зі знаком «мінус». Формула Фарадея носить його ім'я і відображає такий закон: ЕРС індукції дорівнює швидкості зміни магнітного потоку через контур. Знак мінус у цьому виразі зобов'язаний своєю появою правилом Ленца.

Перший генератор

У 1831 році вчений, щоб наочно продемонструвати процес перетворення механічної енергії в електричну, побудував генератор Фарадея. Цей прилад не мав практичного значення, але наочно показував чари виникнення електричного струму. Диск Фарадея представляв собою пристрій, що нагадує примітивний генератор. У цій конструкції магнітне поле прямувало вздовж осі обертання, а контур залишався нерухомий. Подив спостерігачів викликало те обставина, що обертання магніту разом з диском призводило до появи електрорушійної сили в нерухомій ланцюга. Це явище було названо парадоксом Фарадея. Дане протиріччя вирішилося вже після смерті вченого, коли був відкритий електрон, який веде себе і як заряд, і як частинка.

Дослідження електоролиза

Досліди Фарадея не обмежувалися вивченням магнітних полів. Велика частина сучасних уявлень про електролізі і іонах зобов'язана своєю появою цього англійському вченому. Велику серію дослідів по вивченню поведінки хімічних розчинів в електричному полі Фарадей звів до двох простим законам, якими ми користуємося і в даний час:

Маса речовини, утворена при електролізі на електродах, прямо пропорційна добутку часу на струм (тобто кількості електрики);

при одному і тому ж кількості електрики маса речовини, утвореної на електродах, пропорційна хімічному еквіваленту даної речовини.

В ході дослідів Фарадея довів, що для отримання 1008 кг водню необхідно затратити 96500000 кулон електрики. Стільки ж електрики потрібно для отримання 354 кг хлору, 636/2 кг міді, 16/2 кг кисню. Таким чином, міра електрики, необхідна для отримання одного хімічного еквівалента речовини, була названа числом Фарадея. Величезний внесок, який зробив цей незвичайний і талановитий вчений в фізику, ставить його на один рівень з Ньютоном, Джоулем, Ейнштейном і іншими великими людьми.