На главную


Единство магнитных и электрических явлений

Еще задолго до Фарадея было известно, что молния может намагничивать и размагничивать стальные предметы. Например, в июле 1681 года молния ударила в корабль. Кроме обычных повреждений, причиненных ею, было замечено, что все три корабельных компаса испортились: два — размагнитились, у третьего северный конец стрелки стал показывать юг.
Однажды молния ударила в лавку торговца металлическими изделиями и разбила ящик, в котором лежали ножи и вилки. Некоторые ножи и вилки оплавились, другие оказались намагниченными.
Следовательно, электрический разряд способен придавать стали магнитные свойства и отнимать их.
Несколько важных наблюдений сделали ученые, искавшие связь между магнитными и электрическими явлениями. Один из них — датский физик Эрстед заметил, что электрический ток влияет на магнитную стрелку. Эрстед натянул провод от батареи в направлении с севера на юг. Под проводом он положил компас и пропустил по проводу ток. Стрелка компаса немедленно отклонилась в сторону.
Эрстед записал свое наблюдение: «гальваническое электричество, идущее с севера на юг над свободно подвешенной магнитной иглой, отклоняет ее северный конец к востоку, а, проходя в том же направлении под иглой, отклоняет ее к западу».
Известие об этом открытии Эрстед опубликовал 21 июля 1820 года.
Два месяца спустя — 25 сентября 1820 года — французский ученый Араго намотал на стеклянную трубочку несколько витков проволоки и положил в трубочку стальную иглу.
Когда по проволоке пропустили сильный электрический ток, игла намагнитилась.
Одновременно с Араго другой французский ученый — Ампер показал, что электрический ток, текущий по проводам, обладает магнитными свойствами. Он изобрел особый прибор, устройство которого показано на рис. 21: два прочных проводника разной длины изогнуты в виде буквы Г и укреплены вертикально. В верхней части этих Г-образных стоек сделаны чашечки. Обе стойки укреплены в приборе так, чтобы чашечки находились одна над другой.

В чашечки Ампер налил ртуть и опустил в них иголки, служившие опорой для проволочной четырехугольной рамки. Ртуть обеспечивала надежный контакт, а на иголках рамка могла вращаться очень легко, почти без всякого трения.
Перед опытом рамка была повернута так, чтобы один ее край находился против стойки, соединенной с плюсом батареи. Как только Ампер включил ток, рамка тотчас повернулась. Ее край отодвинулся от стойки, присоединенной к плюсу батареи, и приблизился к стойке, соединенной с минусом батареи. Сколько Ампер ни поворачивал рамку, она неизменно и упорно возвращалась к стойке, соединенной с минусом батареи.
Ампер установил, что электрический ток обладает магнитными свойствами: рамка, по которой течет ток, становится как бы магнитом. Токи, текущие в одном направлении, взаимно притягиваются, а токи, текущие в противоположных направлениях, отталкиваются.
Эрстед, Араго и Ампер неопровержимо доказали существование связи между магнитными и электрическими явлениями.
Фарадей же был убежден в большем. Он считал, что электричество и магнетизм,— как орел и решка на монете,— две стороны одного и того же явления. А чтобы доказать это — требовалось «превратить электричество в магнетизм и магнетизм в электричество». Так и было записано в 1821 году в дневнике Фарадея.

Через неудачи к победе

Вот как Фарадей выполнил свою задачу. Он намотал на деревянный барабан кусок медной проволоки длиной около 8 метров; чтобы витки не соприкасались между собой, Фарадей изолировал их тонким шнурком, который он наматывал вместе с проволокой (изолированных проводников тогда делать не умели).
Первый слой своей катушки ученый обернул коленкоровой лентой и поверх нее стал наматывать второй слой. Надежно изолировав второй слой, Фарадей намотал третий. Так была изготовлена проволочная катушка из 12 слоев, изолированных один от другого.
Первый, третий, пятый...— все нечетные слои Фарадей соединил последовательно, и они составили одну общую катушку. Точно так же были соединены вторая, четвертая, шестая — все четные слои обмотки. В результате у Фарадея получились как бы две катушки, намотанные одна внутри другой и надежно изолированные друг от друга. Концы проводов от одной катушки были присоединены к чувствительному гальванометру, а концы другой катушки — к батарее.
Из опытов Ампера Фарадей знал, что наибольшим магнитным действием обладает проводник, свернутый спиралью или намотанный катушкой. Поэтому он предполагал, что ток, пройдя по одной катушке, окажет свое действие на другую, причем настолько сильное, что в ней возникнет ток, который отклонит стрелку гальванометра.
Присоединив катушку к батарее, Фарадей посмотрел на стрелку гальванометра, она стояла на нуле.
Ток шел по одной катушке и на другую катушку никакого влияния не оказывал (рис. 22).

Фарадей повторял опыт несколько раз, менял концы проводов у гальванометра и батарей. Все было безрезультатно.
Ожидания Фарадея не оправдались.
Ученого, который слепо преклоняется перед опытом, эта неудача заставила бы бросить начатую работу. Опыт не удается — ничего не поделаешь! Но Фарадей не принадлежал к таким ученым. «Если опыт не удался,— рассуждал Фарадей,— значит я не сумел его поставить. Ток должен влиять! Ток в одной катушке должен вызвать ответный ток во второй катушке!»
Фарадей упрямо продолжал опыты, кропотливо отыскивая причину неудач. Он продумывал каждую мелочь, каждое свое движение. На опыты ушло несколько лет настойчивого труда. Уже потеряв надежду на успех, Фарадей случайно обратил внимание на то, что он сначала присоединяет провода к батарее, а потом смотрит на гальванометр!
Оплошность!
Фарадей прикрутил провод катушки к одному полюсу батареи, поставил гальванометр так, чтобы можно было одновременно и присоединить второй провод и видеть стрелку гальванометра. Не сводя глаз со стрелки, Фарадей коснулся проводом полюса батареи. В момент соприкосновения стрелка гальванометра едва заметно вздрогнула.
Первый успех!
Фарадей коренным образом изменил свой прибор. Он намотал две медные изолированные спирали не на деревянный цилиндр, а на кольцо, сваренное из мягкого железа. Одна спираль охватывала правую половину кольца, вторая — левую. Между спиралями оставались небольшие промежутки железа. Иначе говоря, он сделал два электромагнита, для которых железное кольцо служило общим сердечником.
Концы проволок от одной спирали Фарадей прикрепил к гальванометру, затем, внимательно глядя на прибор, он подключил батарею ко второй спирали. Стрелка гальванометра не только дрогнула, она прыгнула, заметалась из стороны в сторону, далеко отлегая каждый раз от нуля. Стрелка как бы повторяла движения концов проводника, которые Фарадей держал в руках, и успокоилась только тогда, когда ученый поплотнее скрутил провода.
Это была долгожданная победа — плод беспримерного терпения, настойчивости и глубокого убеждения в правоте своей идеи.
После работ Ломоносова и Петрова открытие Фарадея было крупнейшим успехом науки об электричестве.
Единство магнитных и электрических явлений стало очевидным.
Явление, открытое Фарадеем, получило название электромагнитной индукции, то есть электромагнитного наведения или влияния.

Магнитное поле электрического тока

Опыт с магнитом и железными опилками известен с давних пор: магнит прикрывают бумажкой, а на бумагу насыпают железные опилки, и они, падая на бумагу, ложатся не бесформенной грудой, а собираются над полюсами магнита, составляя фигуру, слегка напоминающую двух многоногих пауков.
Опилки размещаются между полюсами и вокруг них по каким-то дорожкам. Магнитные силы заставляют частички металла сцепляться, укладываться вдоль магнитных «дорожек» цепочками, образуя симметричные узоры, состоящие из отдельных, правильно изогнутых линий (рис. 23).

Если передвигать магнит под бумажкой с места на место, то и опилки будут перекатываться вслед за ним и располагаться в прежнем порядке вдоль дугообразных линий, окружающих полюсы магнита.
Эти дорожки-линии, по которым выстраиваются железные опилки, указывают направления, по которым действует магнитная сила. Узор, составленный из опилок, дает наглядное представление о расположении магнитных силовых линий и доказывает, что магнит окружен магнитным полем, подобно тому, как электрический заряд окружен электрическим полем.
Магнитное поле представляет собой как бы продолжение магнита, его невидимую, но совершенно реальную материальную «оболочку». Если к северному полюсу магнита приближать северный полюс другого магнита, то сопротивление магнитных полей становится ощутимым — они пружинят, отталкивают, мешают соприкосновению одноименных полюсов.
Фарадей обнаружил, что не только природные магниты, но и каждый отрезок провода, по которому движутся электрические за ряды, окружен со всех сторон кольцевыми силовыми линиями магнитного поля. Ученый доказал, что электрический ток всегда порождает магнитное поле вокруг проводника, по которому течет.
В существовании такого поля можно убедиться на опыте: проколоть кусок плотной бумаги иглой, продеть сквозь прокол провод и пропустить по нему сильный электрический ток (рис. 24).

Если в это время сыпать на бумагу мелкие железные опилки, то они улягутся вокруг провода правильными концентрическими кольцами.
Теперь становится понятным опыт Эрстеда — магнитная стрелка под проводом, по которому бежит ток, отклоняется в сторону, потому что на нее действует магнитное поле электрического тока.
Магнитные свойства тока можно показать и более эффектным способом. Если к свободно подвешенному проводнику, по которому течет постоянный ток, поднести подковообразный магнит, проводник будет либо втягиваться в подкову, либо выталкиваться из нее, в зависимости от направления тока и положения полюсов магнита (рис. 25).

Открытие магнитного поля вокруг тока навело Фарадея на новую мысль.
Постоянный ток, текущий по проводу, хотя и окружен магнитным полем, но никакого влияния на соседний провод не оказывает. Индуктивного тока в нем не образуется. Он возникает только тогда, когда ток включают или выключают, то есть когда магнитное поле вокруг проводника либо разрастается, либо спадает. Следовательно, индуктивный ток порождается только изменяющимся магнитным полем.
При этом, когда в первичную обмотку включают ток, то во вторичной обмотке возникает «наведенный» индуктивный ток, он всегда течет навстречу току в первичной обмотке.
При размыкании — наоборот: во вторичной обмотке появляется индуктивный ток, текущий в том же самом направлении, что и в первичной обмотке. Фарадей доказал, что «наведенный», индуктивный ток вторичной обмотки, в свою очередь, тоже влияет на первичную обмотку, он тоже вызывает в ней индуктивный ток. Подобное же явление наблюдается и в том случае, если для опыта возьмем только одну катушку.
Как только присоединим ее к полюсам батареи, по проводу катушки пойдет ток и в ней возникнет магнитное поле, усиливающееся вместе с током.
Усиление магнитного поля внутри катушки должно было бы индуктировать в ней же самой «встречный» ток, то есть противоположного направления. Однако по одному проводу ток одновременно в двух противоположных направлениях течь не может, и индукция будет лишь ослаблять включаемый ток. Значит, при включении тока возникающее магнитное поле замедляет нарастание его. Включенный ток достигает своей наибольшей силы не сразу, а постепенно.
Такое явление — влияние изменений силы тока в проводнике на самого себя — называется самоиндукцией. Самоиндукция имеет большое сходство с инерцией. Инерция препятствует мгновенному изменению скорости тела, а самоиндукция замедляет всякое изменение силы тока.
Особенно сильно проявляется самоиндукция у катушек с железными сердечниками. Когда включают большой электромагнит, ток в нем нарастает очень медленно — в течение нескольких секунд, и поэтому при включении в рубильнике проскакивает совсем маленькая искра, а то и вовсе ее не бывает. Зато когда выключают большой электромагнит, проскакивает сильная яркая искра, так как ток, поддерживаемый самоиндукцией, продолжает идти даже через воздушный промежуток, образующийся при разъединении контактов рубильника (рис. 26).

Явление самоиндукции особенно заметно, когда пропускают переменный ток по катушке с железным сердечником. При переменном токе движение зарядов происходит то в одну, то в другую сторону. Ток последовательно сначала нарастает, потом убывает, меняет направление и нарастает в другом направлении, вновь убывает, опять меняет направление и т. д. Он, а следовательно, и образуемое им магнитное ноле все время меняются, а индуктивное действие поля все время мешает этим изменениям. Оно ослабляет ток.
Если включить в цепь лампочки накаливания, питаемой переменным током, катушку с железным сердечником, то она настолько ослабит ток, что лампочка почти потухнет. Если же сердечник вынуть, магнитное поле ослабеет, индуктивное действие его уменьшится, ток усилится и лампочка загорится (рис. 27).


предыдущая страница оглавление следующая страница