Фарадеевская модель электромагнитного поля
Содержание
Введение
Исследование электромагнетизма (1831—1840)
Электромагнитная индукция
Фарадеевская модель электромагнитного поля
Список литературы
Введение
Майкл Фараде́й (англ. Michael Faraday [ˈfæ.rəˌdeɪ], 22 сентября 1791, Лондон — 25 августа 1867, Лондон) — английскийфизик-экспериментатор и химик. Член Лондонского королевского общества (1824) и множества других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской академии наук (1830). Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя. Среди других его открытий — первый трансформатор, химическое действие тока, законы электролиза, действие магнитного поля на свет, диамагнетизм. Первым предсказал электромагнитные волны. Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод, анод, электролит,диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм и др. Фарадей — основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл. Основной идейный вклад Фарадея в физику электромагнитных явлений заключался в отказе от ньютонова принципа дально-действия и во введении понятия физического поля — непрерывной области пространства, сплошь заполненной силовыми линиями и взаимодействующей с веществом.
Исследование электромагнетизма (1831—1840)
В 1822 году в лабораторном дневнике Фарадея появилась запись: «Превратить магнетизм в электричество». Рассуждения Фарадея были следующими: если в опыте Эрстеда электрический ток обладает магнитной силой, а, по убеждению Фарадея, все силы взаимо превращаемы, то и движение магнита должно возбуждать электрический ток. Путь к электрогенератору оказался нелёгким — первые опыты были неудачны. Главной причиной неудач было незнание того факта, что электрический ток порождается только переменным магнитным полем, причём достаточно сильным (иначе ток будет слишком слаб для регистрации). Для усиления эффекта следовало магнит (или проводник) быстро двигать, а проводник свернуть в катушку. Только десять лет спустя, в 1831 году, Фарадей нашёл, наконец, решение проблемы, обнаружив электромагнитную индукцию. С этого открытия начался самый плодотворный период исследований Фарадея (1831—1840), давший научному миру его знаменитую серию статей «Экспериментальные исследования по электричеству» (всего он опубликовал в «Philosophical Transactions» 30 выпусков, выходивших с 1831 по 1835 год). Уже в 1832 году Фарадей за открытие индукции был награждён медалью Копли. Сообщение об опытах Фарадея немедленно вызвало сенсацию в научном мире Европы, массовые газеты и журналы также уделяли им немало внимания. Множество научных организаций избрали Фарадея своим почётным членом (всего он получил 97 дипломов). Если открытие электродвигателя показало, как можно использовать электричество, то опыты по индукции указывали, как создать мощный его источник (электрогенератор). С этого момента трудности на пути широкого внедрения электроэнергии стали чисто техническими.
Электромагнитная индукция
Основные опыты состоялись в период 29 августа — 4 ноября 1831 года, главными из них стали два:
1. При движении магнитного сердечника внутри проволочной катушки в последней возникал электрический ток.
2. Включение или выключение тока в проволочной катушке приводило к появлению тока во вторичной катушке, чьи витки чередуются с витками первой.
17 октября 1831 года Фарадей пришёл к выводу: «электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое». Он поставил решающий эксперимент. Ещё раньше, 29 августа, Фарадей провёл аналогичный опыт с электромагнитом. Таким образом, перемещающийся возле проводника магнит (или включение/выключение тока в соседнем проводнике) порождают в данном проводнике электрический ток. Это явление Фарадей назвал электромагнитной индукцией. 28 октября он собрал первый полноценный генератор постоянного тока («диск Фарадея»): при вращении медного диска рядом с магнитом на диске возникает электрический потенциал, который снимается прилегающим проводом. Фарадей показал, как механическую энергию вращения преобразовать в электрическую. Толчком к этому изобретению послужил опыт Араго (1824 год): крутящийся магнит увлекал в своё вращение расположенный ниже медный диск, хотя медь неспособна намагничиваться. И обратно, если вращать медный диск вблизи магнита, подвешенного таким образом, что он может вращаться в плоскости, параллельной плоскости диска, то при вращении диска магнит следует за его движением. Араго обсуждал этот эффект с Ампером, Пуассоном и другими знаменитыми физиками, но объяснить его им не удалось. В отчёте о полученных результатах, обнародованном Фарадеем 24 ноября 1831 года перед Королевским обществом, он впервые употребил ключевой термин «магнитные силовые линии». Это означало переход от дискретной картины «заряды/магниты» прежних теорий, построенных по образцу дально действующего ньютоновского тяготения, к совершенно новому непрерывному и близко действенному физическому объекту, которое мы теперь называем полем. Несколько позже Фарадей аналогично ввёл электрические силовые линии. После открытий Фарадея стало ясно, что старые модели электромагнетизма (Ампер, Пуассон и др.) неполны и должны быть существенно переработаны. Сам Фарадей объяснял электромагнитную индукцию следующим образом. Окрестность всякого заряженного тела пронизано электрическими силовыми линиями, которые передают «силу» (по современной терминологии, энергию), и аналогично энергия магнитного поля течёт вдоль магнитных силовых линий. Эти линии не следует рассматривать как условные абстракции, они представляют собой физическую реальность. При этом:
1. Всякое изменение электрического состояния среды порождает магнитное поле.
2. Всякое изменение магнитного состояния среды порождает электрическое поле.
Точную формулировку этих законов и полную математическую модель электромагнетизма дал спустя 30 лет Джеймс Максвелл, родившийся в год открытия индукции (1831). При индукции, указал Фарадей, величина возникающего в проводнике тока тем больше, чем больше магнитных силовых линий за единицу времени, в ходе изменения состояния, пересекает этот проводник. В свете этих законов причина движения в описанном выше опыте Араго стала понятна: когда материал диска пересекал магнитные силовые линии, в нём создавались индукционные токи, магнитное поле которых взаимодействовало с исходным. Позднее Фарадей повторил опыт с «диском Фарадея», используя вместо лабораторного магнита земной магнетизм
Фарадеевская модель электромагнитного поля
Мир электромагнитных явлений, каким его представлял и описывал Фарадей, решительно отличался от всего, что было в физике прежде. В записи своего дневника от 7 ноября 1845 года Фарадей впервые употребил термин «электромагнитное поле» (англ. field), этот термин позднее перенял и ввёл в широкое употребление Максвелл. Поле — это область пространства, сплошь пронизанная силовыми линиями. Силы взаимодействия токов, введённые Ампером, считались дальнодействующими; Фарадей решительно оспорил это положение и сформулировал (словесно) свойства электромагнитного поля как существенно близкодейственные, то есть непрерывно передающиеся от каждой точки к соседним точкам с конечной скоростью. До Фарадея электрические силы понимались как взаимодействие зарядов на расстоянии — где нет зарядов, нет и сил. Фарадей изменил эту схему: заряд создаёт протяжённое электрическое поле, и уже с ним взаимодействует другой заряд, дальнодействия на расстоянии нет. С магнитным полем положение оказалось более сложным — оно не является центральным, и именно для определения направления магнитных сил в каждой точке Фарадей ввёл понятие силовых линий. Веским основанием для отказа от действия на расстоянии были опыты Фарадея с диэлектриками и диамагнетиками — они ясно показали, что среда между зарядами активно участвует в электромагнитных процессах. Более того, Фарадей убедительно показал, что в ряде ситуаций электрические силовые линии искривляются, подобно магнитным — например, экранировав два изолированных шара друг от друга и зарядив один из них, можно наблюдать индуктивные заряды на втором шаре. Из полученных результатов Фарадей сделал вывод, «что сама обычная индукция во всех случаях является действием смежных частиц и что электрическое действие на расстоянии (то есть обыкновенное индуктивное действие) происходит только благодаря влиянию промежуточной материи».
Фарадей работал чрезвычайно методично — обнаружив эффект, он изучал его максимально глубоко — например, выяснял, от каких параметров и как он зависит (материал, температура и т. п.). Поэтому число опытов (и соответственно — число выпусков «Опытных исследований по электричеству») так велико. Нижеследующий краткий перечень тематики выпусков даёт представление о размахе и глубине исследований Фарадея.
1. Индукция электрических токов. Образование электричества из магнетизма.
2. Земная магнито-электрическая индукция.
3. Тождество отдельных видов электричества, происходящих от различных источников (в то время многие физики считали, что разные способы получения генерируют принципиально «разное электричество»).
4. О новом законе электрической проводимости.
5. Об электрохимическом разложении. Влияние воды на электрохимическое разложение. Теория электрохимического разложения.
6. О способности металлов и других твёрдых тел вызывать соединение газообразных тел.
7. Об электрохимическом разложении (продолжение). О некоторых общих условиях электрохимического разложения. О новом приборе для измерения гальванического электричества. О первичном или вторичном характере выделяющихся у электродов химических веществ. Об определённой природе и о размерах электрохимического разложения.
8. Об электричестве гальванического элемента; его источник, количество, напряжение и основные свойства его. О напряжении, необходимом для электролиза.
9. Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии электрических токов вообще.
10. О гальванической батарее усовершенствованного типа. Некоторые практические указания.
11. Теория индукции. Общие выводы относительно природы индукции.
12. Об индукции (продолжение). Проводимость, или кондуктивный разряд. Электролитический разряд. Разрывной разряд и изоляция.
13. Об индукции (продолжение). Разрывной разряд (продолжение).
14. Природа электрической силы или сил. Связь между электрической и магнитной силами. Замечания об электрическом возбуждении.
15. Заключение о характере направления электрической силы у электрического угря.
Фарадей собрал первый трансформатор, исследовал самоиндукцию, открытую в 1832 году американским учёным Дж. Генри, разряды в газах и др. При исследовании свойств диэлектриков ввёл понятие диэлектрической проницаемости (которую называл «индуктивной способностью»). В 1836 году, работая над проблемами статического электричества, Фарадей провёл эксперимент, показавший, что электрический заряд воздействует только на поверхность замкнутой оболочки-проводника, не оказывая никакого воздействия на находящиеся внутри неё объекты. Данный эффект связан с тем, что противоположные стороны проводника приобретают заряды, поле которых компенсирует внешнее поле. Соответствующие защитные свойства используются в устройстве, известном ныне как клетка Фарадея. Фарадей обнаружил поворот плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Это означало, что свет и электромагнетизм тесно связаны. Убеждённость Фарадея в единстве всех сил природы нашла ещё одно подтверждение. Позже Максвелл строго доказал электромагнитную природу света.
Список литературы
1. Абрамов Я. В. Майкл Фарадей. Его жизнь и научная деятельность. — 1892. — (Жизнь замечательных людей. Биографическая библиотека Ф. Павленкова).Переиздание — М.: Книга по Требованию, 2011, ISBN 978-5-4241-2475-4.
2. Бингем Д. Майкл Фарадей. Духовный генератор = Michael Faraday: Spiritual Dynamo. — М.: Библия для всех, 2011. — 144 с. — ISBN 978-5-7454-1028-4, 1-84550-156-X.
3. Карцев В. П. Максвелл. — М.: Молодая гвардия, 2012. — (Жизнь замечательных людей).
4. Кудрявцев П. С. Курс истории физики. — М.: Просвещение, 2011.
5. Кудрявцев П. С. Фарадей. — М.: Просвещение, 2013— 169 с.
6. Радовский М. И. Фарадей. — М.: Журнально-газетное объединение, 2014
7. Спасский Б. И. История физики, в двух томах. — М.: Высшая школа, 2011.
8. Уиттекер Э. История теории эфира и электричества. Глава 6. Фарадей. — М.: Регулярная и хаотическая динамика, 2011. — 512 с. — ISBN 5-93972-070-6.
9. Храмов Ю. А. Фарадей Майкл (Faraday Michael) // Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и дополн. — М.: Наука, 2011. — С. 271. — 400 с. — 200 000 экз. (в пер.)
10. Цейтлин З. Биография М. Фарадея // M. Фарадей. Избранные работы по электричеству. — М.—Л.: ГОНТИ, 2011. — (Классики естествознания).