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Chi ha scoperto il fenomeno dell'induzione elettromagnetica? Scoperta dell'induzione e dell'autoinduzione elettromagnetica e dei primi dispositivi elettromagnetici.

Argomento della lezione:

Scoperta dell'induzione elettromagnetica. Flusso magnetico.

Bersaglio: Familiarizzare gli studenti con il fenomeno dell'induzione elettromagnetica.

Durante le lezioni

I. Momento organizzativo

II. Aggiornamento della conoscenza.

1. Rilievo frontale.

  • Qual è l'ipotesi di Ampere?
  • Cos'è la permeabilità magnetica?
  • Quali sostanze sono chiamate para- e diamagnetiche?
  • Cosa sono le ferriti?
  • Dove vengono utilizzate le ferriti?
  • Come facciamo a sapere che esiste un campo magnetico attorno alla Terra?
  • Dove sono i poli magnetici nord e sud della Terra?
  • Quali processi avvengono nella magnetosfera terrestre?
  • Qual è la ragione dell'esistenza di un campo magnetico vicino alla Terra?

2. Analisi degli esperimenti.

Esperimento 1

L'ago magnetico sul supporto è stato portato all'estremità inferiore e poi superiore del treppiede. Perché la freccia gira verso l'estremità inferiore del treppiede da entrambi i lati con il polo sud e verso l'estremità superiore con l'estremità nord?(Tutti gli oggetti di ferro si trovano nel campo magnetico terrestre. Sotto l'influenza di questo campo, sono magnetizzati, con la parte inferiore dell'oggetto che rileva il polo nord magnetico e la parte superiore che rileva il polo sud.)

Esperimento 2

In un grande tappo di sughero, crea una piccola scanalatura per un pezzo di filo. Metti il ​​tappo nell'acqua e posiziona il filo sopra, posizionandolo parallelo. In questo caso, il filo insieme alla spina viene ruotato e installato lungo il meridiano. Perché?(Il filo è stato magnetizzato ed è installato nel campo terrestre come un ago magnetico.)

III. Imparare nuovo materiale

Tra le cariche elettriche in movimento agiscono forze magnetiche. Le interazioni magnetiche sono descritte sulla base dell'idea di un campo magnetico che esiste attorno alle cariche elettriche in movimento. I campi elettrici e magnetici sono generati dalle stesse fonti: le cariche elettriche. Si può presumere che esista una connessione tra loro.

Nel 1831, M. Faraday lo confermò sperimentalmente. Scoprì il fenomeno dell'induzione elettromagnetica (diapositive 1,2).

Esperimento 1

Colleghiamo il galvanometro alla bobina e da essa estenderemo un magnete permanente. Osserviamo la deflessione dell'ago del galvanometro, è apparsa una corrente (induzione) (diapositiva 3).

La corrente in un conduttore si verifica quando il conduttore si trova nell'area di azione di un campo magnetico alternato (diapositiva 4-7).

Faraday rappresentò un campo magnetico alternato come un cambiamento nel numero di linee di forza che penetrano nella superficie limitata da un dato contorno. Questo numero dipende dall'induzione IN campo magnetico, dall'area del circuito S e il suo orientamento in un dato campo.

Ô=BS cos a - flusso magnetico.

F [Wb] Weber (diapositiva 8)

La corrente indotta può avere direzioni diverse, che dipendono dal fatto che il flusso magnetico che passa attraverso il circuito diminuisca o aumenti. La regola per determinare la direzione della corrente di induzione fu formulata nel 1833. E. X. Lentz.

Esperimento 2

Facciamo scorrere un magnete permanente in un anello di alluminio leggero. L'anello ne viene respinto e, una volta esteso, viene attratto dal magnete.

Il risultato non dipende dalla polarità del magnete. La repulsione e l'attrazione sono spiegate dalla comparsa di una corrente di induzione in esso.

Quando un magnete viene spinto dentro, il flusso magnetico attraverso l'anello aumenta: la repulsione dell'anello mostra che la corrente indotta al suo interno ha una direzione in cui il vettore di induzione del suo campo magnetico è opposto in direzione al vettore di induzione del magnete esterno. campo magnetico.

Regola di Lenz:

La corrente indotta ha sempre una direzione tale che il suo campo magnetico impedisce qualsiasi variazione del flusso magnetico che causi la comparsa della corrente indotta(diapositiva 9).

IV. Conduzione di attività di laboratorio

Lavoro di laboratorio sul tema “Verifica sperimentale della regola di Lenz”

Dispositivi e materiali:milliamperometro, bobina-bobina, magnete a forma di arco.

Progresso

  1. Prepara un tavolo.

2.7. SCOPERTA DELL'INDUZIONE ELETTROMAGNETICA

Un grande contributo all'ingegneria elettrica moderna è stato dato dallo scienziato inglese Michael Faraday, i cui lavori, a loro volta, sono stati preparati da precedenti lavori sullo studio dei fenomeni elettrici e magnetici.

C'è qualcosa di simbolico nel fatto che nell'anno di nascita di M. Faraday (1791) fu pubblicato il trattato di Luigi Galvani con la prima descrizione di un nuovo fenomeno fisico: la corrente elettrica, e nell'anno della sua morte (1867) un “ dinamo” è stato inventato un generatore DC autoeccitante, cioè è apparsa una fonte di energia elettrica affidabile, economica e facile da usare. La vita del grande scienziato e la sua attività unica nei suoi metodi, contenuti e significato non solo ha aperto un nuovo capitolo nella fisica, ma ha anche svolto un ruolo decisivo nella nascita di nuovi rami della tecnologia: ingegneria elettrica e ingegneria radio.

Per più di cento anni, molte generazioni di studenti hanno imparato dalle lezioni di fisica e da numerosi libri la storia della straordinaria vita di uno degli scienziati più famosi, membro di 68 società e accademie scientifiche. Di solito il nome di M. Faraday è associato alla scoperta più significativa e quindi più famosa: il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, da lui fatto nel 1831. Ma un anno prima, nel 1830, per la ricerca nel campo della chimica e dell'elettromagnetismo, M. Faraday fu eletto membro onorario dell'Accademia delle Scienze di Pietroburgo e membro della Royal Society di Londra (Accademia britannica delle scienze) fu eletto nel 1824. A partire dal 1816, quando il primo lavoro scientifico di M. Faraday, dedicato all’analisi chimica della calce toscana, venne pubblicato, e fino al 1831, quando cominciò ad essere pubblicato il famoso diario scientifico “Ricerche sperimentali sull’elettricità”, M. Faraday pubblicò oltre 60 lavori scientifici.

Il grande duro lavoro, la sete di conoscenza, l'intelligenza innata e l'osservazione hanno permesso a M. Faraday di ottenere risultati eccezionali in tutte le aree della ricerca scientifica affrontate dallo scienziato. Il riconosciuto “re degli sperimentatori” amava ripetere: “L’arte dello sperimentatore è saper porre domande alla natura e comprenderne le risposte”.

Ogni studio di M. Faraday si distingueva per una tale accuratezza ed era così coerente con i risultati precedenti che tra i suoi contemporanei non c'erano quasi critici del suo lavoro.

Se escludiamo dalla considerazione la ricerca chimica di M. Faraday, che nel suo campo costituì anche un'epoca (basti ricordare gli esperimenti di liquefazione dei gas, la scoperta del benzene, del butilene), allora tutte le altre sue opere, a prima vista a volte sparsi, come tratti sulla tela di un artista, presi insieme, formano un quadro sorprendente di uno studio globale di due problemi: l'interconversione di varie forme di energia e il contenuto fisico dell'ambiente.

Riso. 2.11. Diagramma delle “rotazioni elettromagnetiche” (basato sul disegno di Faraday)

1, 2 - ciotole con mercurio; 3 - magnete mobile; 4 - magnete stazionario; 5, 6 - fili diretti alla batteria di celle galvaniche; 7 - asta di rame; 8 - conduttore fisso; 9 - conduttore mobile

Il lavoro di M. Faraday nel campo dell'elettricità è iniziato con lo studio delle cosiddette rotazioni elettromagnetiche. Da una serie di esperimenti di Oersted, Arago, Ampere, Biot, Savart, effettuati nel 1820, si seppe non solo dell'elettromagnetismo, ma anche dell'unicità delle interazioni tra corrente e magnete: qui, come già notato, le forze centrali agivano non familiari alla meccanica classica e altre forze cercavano di stabilire l'ago magnetico perpendicolare al conduttore. M. Faraday ha posto la domanda: il magnete tende a muoversi continuamente attorno al conduttore come se fosse uno scarico? L'esperimento ha confermato l'ipotesi. Nel 1821, M. Faraday descrisse un dispositivo fisico, presentato schematicamente in Fig. 2.11. Nel recipiente sinistro con il mercurio c'era una barra magnetica permanente, incernierata sul fondo. Quando la corrente veniva accesa, la sua parte superiore ruotava attorno a un conduttore stazionario. Nel vaso destro, l'asta magnetica era immobile e il conduttore portatore di corrente, sospeso liberamente su una staffa, scivolava lungo il mercurio, ruotando attorno al polo del magnete. Poiché in questo esperimento venne presentato per la prima volta un dispositivo magnetoelettrico a movimento continuo, è del tutto legittimo iniziare con questo dispositivo la storia delle macchine elettriche in generale e del motore elettrico in particolare. Prestiamo attenzione anche al contatto al mercurio, che successivamente trovò applicazione nell'elettromeccanica.

Fu da questo momento, a quanto pare, che M. Faraday iniziò a sviluppare idee sull'universale "interconvertibilità delle forze". Avendo ottenuto il movimento meccanico continuo con l'aiuto dell'elettromagnetismo, si pone il compito di invertire il fenomeno o, nella terminologia di M. Faraday, convertire il magnetismo in elettricità.

Solo l'assoluta convinzione nella validità dell'ipotesi di “interconvertibilità” può spiegare la determinazione e la perseveranza, migliaia di esperimenti e 10 anni di duro lavoro spesi per risolvere il problema formulato. Nell'agosto 1831 fu effettuato un esperimento decisivo e il 24 novembre, in una riunione alla Royal Society, fu delineata l'essenza del fenomeno dell'induzione elettromagnetica.

Riso. 2.12. Illustrazione dell'esperimento di Arago ("magnetismo di rotazione")

1 - disco conduttivo non magnetico; 2 - base in vetro per il montaggio dell'asse del disco

Come esempio che caratterizza il pensiero dello scienziato e la formazione delle sue idee sul campo elettromagnetico, consideriamo lo studio di M. Faraday del fenomeno che allora veniva chiamato “magnetismo rotazionale”. Molti anni prima del lavoro di M. Faraday, i navigatori notarono l'effetto frenante del corpo della bussola in rame sulle oscillazioni dell'ago magnetico. Nel 1824 D.F. Arago (vedi § 2.5) descrisse il fenomeno del “magnetismo rotazionale”, che né lui né altri fisici riuscirono a spiegare in modo soddisfacente. L'essenza del fenomeno era la seguente (Fig. 2.12). Un magnete a ferro di cavallo poteva ruotare attorno ad un asse verticale, e sopra i suoi poli c'era un disco di alluminio o rame, che poteva anche ruotare attorno ad un asse, il cui senso di rotazione coincideva con il senso di rotazione dell'asse del magnete. A riposo non sono state osservate interazioni tra il disco e il magnete. Ma non appena il magnete ha iniziato a ruotare, il disco gli è corso dietro e viceversa. Per eliminare la possibilità che il disco venisse trascinato da correnti d'aria, il magnete e il disco furono separati da un vetro.

La scoperta dell'induzione elettromagnetica aiutò M. Faraday a spiegare il fenomeno di D.F. Arago e proprio all’inizio dello studio scrivono: “Speravo di creare una nuova fonte di elettricità dall’esperienza del signor Arago”.

Quasi contemporaneamente a M. Faraday, l'eccezionale fisico americano Joseph Henry (1797–1878) osservò l'induzione elettromagnetica. Non è difficile immaginare le esperienze dello scienziato, futuro presidente dell'American National Academy of Sciences, quando, in procinto di pubblicare le sue osservazioni, venne a conoscenza della pubblicazione di M. Faraday. Un anno dopo, D. Henry scoprì il fenomeno dell'autoinduzione e dell'extracorrente e stabilì anche la dipendenza dell'induttanza del circuito dalle proprietà del materiale e dalla configurazione dei nuclei della bobina. Nel 1838 D. Henry studiò le “correnti di ordine superiore”, cioè correnti indotte da altre correnti indotte. Nel 1842, la continuazione di questi studi portò D. Henry alla scoperta della natura oscillatoria della scarica del condensatore (più tardi, nel 1847, questa scoperta fu ripetuta dall'eccezionale fisico tedesco Hermann Helmholtz) (1821–1894).

Passiamo ai principali esperimenti di M. Faraday. La prima serie di esperimenti si è conclusa con un esperimento che ha dimostrato il fenomeno dell'induzione “voltaico-elettrica” (nella terminologia di M. Faraday) (Fig. 2.13, UN- G). Avendo rilevato la presenza di corrente nel circuito secondario 2 quando si chiude o si apre il primario 1 oppure durante il movimento reciproco dei circuiti primario e secondario (Fig. 2.13, V), M. Faraday ha organizzato un esperimento per determinare le proprietà della corrente indotta: all'interno della spirale B, compreso nel circuito secondario è stato posizionato uno spillo in acciaio 7 (Fig. 2.13, B), magnetizzato da una corrente indotta. Il risultato ha indicato che la corrente indotta era simile alla corrente ottenuta direttamente da una batteria galvanica 3.

Riso. 2.13. Schemi dei principali esperimenti che portarono alla scoperta dell'induzione elettromagnetica

Sostituzione del tamburo in legno o cartone 4, su cui gli avvolgimenti primari e secondari erano avvolti con un anello d'acciaio (Fig. 2.13, d), M. Faraday scoprì una deflessione più intensa dell'ago del galvanometro 5. Questa esperienza ha indicato il ruolo significativo dell'ambiente nei processi elettromagnetici. Qui M. Faraday utilizza per la prima volta un dispositivo che può essere definito prototipo di trasformatore.

La seconda serie di esperimenti ha illustrato il fenomeno dell'induzione elettromagnetica che si verificava in assenza di una sorgente di tensione nel circuito primario. Basandosi sul fatto che una bobina percorsa da corrente è identica a un magnete, M. Faraday ha sostituito la sorgente di tensione con due magneti permanenti (Fig. 2.13, e) e osservò la corrente nell'avvolgimento secondario quando il circuito magnetico si chiudeva e si apriva. Chiamò questo fenomeno “induzione magnetoelettrica”; Successivamente notò che non esiste alcuna differenza fondamentale tra l'induzione “voltaico-elettrica” e quella “magnetoelettrica”. Successivamente entrambi questi fenomeni furono uniti dal termine “induzione elettromagnetica”. Negli esperimenti finali (Fig. 2.13, per esempio)è stata dimostrata la comparsa di una corrente indotta quando un magnete permanente o una bobina che trasporta corrente si muove all'interno di un solenoide. Fu questo esperimento a dimostrare più chiaramente la possibilità di convertire il “magnetismo in elettricità” o, più precisamente, l’energia meccanica in energia elettrica.

Sulla base di nuove idee, M. Faraday ha spiegato il lato fisico dell'esperimento con il disco di D.F. Arago. In breve il corso del suo ragionamento può essere riassunto come segue. Un disco di alluminio (o qualsiasi altro conduttore ma non magnetico) può essere immaginato come una ruota con un numero infinito di raggi: conduttori radiali. Con il movimento relativo del magnete e del disco, questi raggi-conduttori “tagliano le curve magnetiche” (terminologia di Faraday), e nei conduttori si crea una corrente indotta. L'interazione della corrente con un magnete era già nota. Nell’interpretazione di M. Faraday, la terminologia e il metodo per spiegare il fenomeno attirano l’attenzione. Per determinare la direzione della corrente indotta introduce la regola di un coltello che taglia le linee di forza. Questa non è ancora la legge di E.H. Lenz, che si caratterizza per l'universalità delle caratteristiche del fenomeno, ma tenta di volta in volta soltanto, attraverso descrizioni dettagliate, di stabilire se la corrente scorrerà dal manico alla punta della lama o viceversa. Ma qui è importante il quadro fondamentale: M. Faraday, in contrasto con i sostenitori della teoria dell'azione a lungo raggio, riempie lo spazio in cui agiscono varie forze con un mezzo materiale, l'etere, sviluppando la teoria eterea di L. Euler, che , a sua volta, fu influenzato dalle idee di M.V. Lomonosov.

M. Faraday diede realtà fisica al magnetico, e poi nello studio dei dielettrici e delle linee di forza elettriche, li dotò della proprietà di elasticità e trovò spiegazioni molto plausibili per un'ampia varietà di fenomeni elettromagnetici, usando l'idea di​​ queste linee elastiche, simili a fili di gomma.

È passato più di un secolo e mezzo e non abbiamo ancora trovato un modo e uno schema più visivi per spiegare i fenomeni associati all'induzione e alle azioni elettromeccaniche rispetto al famoso concetto delle linee di Faraday, che fino ad oggi ci sembrano tangibili.

Dal disco di D.F. Arago M. Faraday ha effettivamente creato una nuova fonte di elettricità. Avendo costretto un disco di alluminio o rame a ruotare tra i poli del magnete, M. Faraday ha posizionato delle spazzole sull'asse del disco e sulla sua periferia.

In questo modo fu progettata una macchina elettrica, che in seguito ricevette il nome di generatore unipolare.

Analizzando le opere di M. Faraday, emerge chiaramente l'idea generale sviluppata dal grande scienziato durante la sua vita creativa. Leggendo M. Faraday, è difficile liberarsi dell'impressione che si occupasse di un solo problema di interconversione di varie forme di energia, e che tutte le sue scoperte siano state fatte casualmente e siano servite solo per illustrare l'idea principale. Esplora vari tipi di elettricità (animale, galvanica, magnetica, termoelettricità) e, dimostrandone l'identità qualitativa, scopre la legge dell'elettrolisi. Allo stesso tempo, l'elettrolisi, come la contrazione dei muscoli di una rana sezionata, inizialmente serviva solo come prova che tutti i tipi di elettricità si manifestano nelle stesse azioni.

La ricerca sull'elettricità statica e il fenomeno dell'induzione elettrostatica hanno portato M. Faraday alla formazione di idee sui dielettrici, alla rottura definitiva con la teoria dell'azione a lungo raggio, a notevoli studi sulla scarica nei gas (la scoperta dello spazio oscuro di Faraday) . Ulteriori ricerche sull'interazione e l'interconversione delle forze lo portarono alla scoperta della rotazione magnetica del piano di polarizzazione della luce, alla scoperta del diamagnetismo e del paramagnetismo. La convinzione dell'universalità delle trasformazioni reciproche costrinse M. Faraday a dedicarsi anche allo studio della connessione tra magnetismo ed elettricità, da un lato, e gravità, dall'altro. È vero, gli ingegnosi esperimenti di Faraday non hanno dato un risultato positivo, ma ciò non ha scosso la sua fiducia nell'esistenza di una connessione tra questi fenomeni.

I biografi di M. Faraday amano sottolineare il fatto che M. Faraday ha evitato di usare la matematica, che non esiste una sola formula matematica nelle molte centinaia di pagine dei suoi Studi sperimentali sull'elettricità. A questo proposito, è opportuno citare l'affermazione del connazionale di M. Faraday, il grande fisico James Clark Maxwell (1831–1879): “Avendo iniziato a studiare il lavoro di Faraday, ho scoperto che anche il suo metodo di comprensione dei fenomeni era matematico, sebbene non presentati sotto forma di simboli matematici ordinari. Ho anche scoperto che questo metodo potrebbe essere espresso in forma matematica ordinaria e quindi essere paragonato ai metodi dei matematici professionisti."

La “natura matematica” del pensiero di Faraday può essere illustrata dalle sue leggi dell’elettrolisi o, ad esempio, dalla formulazione della legge dell’induzione elettromagnetica: la quantità di elettricità messa in movimento è direttamente proporzionale al numero di linee di forza attraversate. Basta immaginare l'ultima formulazione sotto forma di simboli matematici, e otteniamo subito una formula da cui segue molto rapidamente il famoso d?/dt, dove? - collegamento del flusso magnetico.

D.K. Maxwell, nato nell'anno della scoperta del fenomeno dell'induzione elettromagnetica, valutò molto modestamente i suoi servizi alla scienza, sottolineando di aver sviluppato e messo in forma matematica solo le idee di M. Faraday. La teoria del campo elettromagnetico di Maxwell fu apprezzata dagli scienziati tra la fine del XIX e l'inizio del XX secolo, quando l'ingegneria radiofonica iniziò a svilupparsi sulla base delle idee di Faraday e Maxwell.

Per caratterizzare l'intuizione di M. Faraday, la sua capacità di penetrare nelle profondità dei fenomeni fisici più complessi, è importante ricordare qui che già nel 1832, il brillante scienziato si azzardò a suggerire che i processi elettromagnetici sono di natura ondulatoria, con oscillazioni magnetiche e induzione elettrica che si propagano a velocità finita.

Alla fine del 1938, negli archivi della Royal Society di Londra fu scoperta una lettera sigillata di M. Faraday, datata 12 marzo 1832. Rimase nell'oscurità per più di 100 anni e conteneva le seguenti righe:

“Alcuni risultati di ricerca... mi hanno portato alla conclusione che la propagazione dell’influenza magnetica richiede tempo, cioè Quando un magnete agisce su un altro magnete distante o su un pezzo di ferro, la causa d'influenza (che mi permetterò di chiamare magnetismo) si diffonde gradualmente dai corpi magnetici e richiede un certo tempo per la sua diffusione, che, ovviamente, sarà molto insignificante.

Credo anche che l'induzione elettrica viaggi esattamente allo stesso modo. Credo che la propagazione delle forze magnetiche dal polo magnetico sia simile alle vibrazioni di una superficie d'acqua disturbata o alle vibrazioni sonore delle particelle d'aria, cioè Intendo applicare la teoria delle oscillazioni ai fenomeni magnetici, come si fa per il suono, ed è la spiegazione più probabile dei fenomeni luminosi.

Per analogia credo sia possibile applicare la teoria delle oscillazioni alla propagazione dell'induzione elettrica. Voglio verificare queste opinioni sperimentalmente, ma poiché il mio tempo è occupato da compiti ufficiali, che potrebbero prolungare gli esperimenti... Voglio, trasferendo questa lettera per custodia alla Royal Society, assegnare a me stesso la scoperta una certa data...".

Poiché queste idee di M. Faraday sono rimaste sconosciute, non c'è motivo di rifiutare il suo grande connazionale D.K. Maxwell nella scoperta di queste stesse idee, alle quali diede una rigorosa forma fisico-matematica e un significato fondamentale.

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Induzione elettromagnetica- il fenomeno del verificarsi di corrente elettrica in un circuito chiuso quando cambia il flusso magnetico che lo attraversa. L'induzione elettromagnetica fu scoperta da Michael Faraday il 29 agosto 1831. Scoprì che la forza elettromotrice (EMF) che si forma in un circuito conduttore chiuso è proporzionale alla velocità di variazione del flusso magnetico attraverso la superficie delimitata da questo circuito. L'entità della forza elettromotrice non dipende da ciò che causa il cambiamento di flusso: un cambiamento nel campo magnetico stesso o il movimento del circuito (o parte di esso) nel campo magnetico. La corrente elettrica causata da questa fem è chiamata corrente indotta.

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    Secondo la legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica (in SI):

    E = − d Φ B d t (\displaystyle (\mathcal (E))=-((d\Phi _(B)) \over dt))- forza elettromotrice che agisce lungo un contorno scelto arbitrariamente, = ∬ S B → ⋅ d S → , (\displaystyle =\iint \limits _(S)(\vec (B))\cdot d(\vec (S)),)- flusso magnetico attraverso la superficie limitato da questo contorno.

    Il segno meno nella formula riflette Regola di Lenz, dal nome del fisico russo E. H. Lenz:

    Una corrente indotta che si forma in un circuito conduttore chiuso ha una direzione tale che il campo magnetico da essa creato contrasta la variazione del flusso magnetico che ha causato la corrente.

    Per una bobina situata in un campo magnetico alternato, la legge di Faraday può essere scritta come segue:

    E = − N d Φ B d t = − d Ψ d t (\displaystyle (\mathcal (E))=-N((d\Phi _(B)) \over dt)=-((d\Psi ) \over dt)) E (\displaystyle (\mathcal (E)))- forza elettromotiva, N (\displaystyle N)- numero di giri, Φ B (\displaystyle \Phi _(B))- flusso magnetico attraverso un giro, Ψ (\displaystyle \Psi )- collegamento del flusso della bobina.

    Forma vettoriale

    In forma differenziale, la legge di Faraday può essere scritta come segue:

    rot E → = − ∂ B → ∂ t (\displaystyle \operatorname (rot) \,(\vec (E))=-(\partial (\vec (B)) \over \partial t))(nel sistema SI) rot E → = − 1 c ∂ B → ∂ t (\displaystyle \operatorname (rot) \,(\vec (E))=-(1 \over c)(\partial (\vec (B)) \over \ parziale t))(nel sistema GHS).

    In forma integrale (equivalente):

    ∮ ∂ S ⁡ E → ⋅ d l → = − ∂ ∂ t ∫ S B → ⋅ d s → (\displaystyle \oint _(\partial S)(\vec (E))\cdot (\vec (dl))=-( \partial \over \partial t)\int _(S)(\vec (B))\cdot (\vec (ds)))(SI) ∮ ∂ S ⁡ E → ⋅ d l → = − 1 c ∂ ∂ t ∫ S B → ⋅ d s → (\displaystyle \oint _(\partial S)(\vec (E))\cdot (\vec (dl))= -(1 \over c)(\partial \over \partial t)\int _(S)(\vec (B))\cdot (\vec (ds)))(GHS)

    Qui E → (\displaystyle (\vec (E)))- intensità del campo elettrico, B → (\displaystyle (\vec (B)))- induzione magnetica, S (\displaystyle S\ )- una superficie arbitraria, - il suo confine. Ciclo di integrazione ∂ S (\displaystyle \partial S) implicito fisso (immobile).

    Va notato che la legge di Faraday in questa forma descrive ovviamente solo quella parte della FEM che si verifica quando il flusso magnetico attraverso il circuito cambia a causa di un cambiamento nel campo stesso nel tempo senza cambiare (spostare) i confini del circuito (per tenendo conto di quest’ultimo, vedi sotto).

    Se, ad esempio, il campo magnetico è costante e il flusso magnetico cambia a causa del movimento dei confini del circuito (ad esempio, con un aumento della sua area), la FEM risultante è generata dalle forze che trattengono le cariche sul circuito (nel conduttore) e la forza di Lorentz generata dall'azione diretta del campo magnetico su cariche in movimento (con contorno). Allo stesso tempo, uguaglianza E = - d Φ / d t (\displaystyle (\mathcal (E))=-((d\Phi )/dt)) continua ad essere osservato, ma il campo elettromagnetico sul lato sinistro non è più ridotto a ∮ ⁡ E → ⋅ d l → (\displaystyle \oint (\vec (E))\cdot (\vec (dl)))(che in questo particolare esempio è generalmente uguale a zero). Nel caso generale (quando il campo magnetico cambia nel tempo e il circuito si muove o cambia forma), anche l'ultima formula è vera, ma la FEM sul lato sinistro in questo caso è la somma di entrambi i termini sopra menzionati (cioè , è generato in parte dal campo elettrico del vortice, in parte dalla forza di Lorentz e dalla forza di reazione di un conduttore in movimento).

    Forma potenziale

    Quando si esprime il campo magnetico attraverso il potenziale vettore, la legge di Faraday assume la forma:

    E → = − ∂ A → ∂ t (\displaystyle (\vec (E))=-(\partial (\vec (A)) \over \partial t))(in assenza di campo irrotazionale, cioè quando il campo elettrico è generato interamente solo da una variazione del campo magnetico, cioè per induzione elettromagnetica).

    Nel caso generale, se si tiene conto del campo irrotazionale (ad esempio elettrostatico), abbiamo:

    E → = − ∇ φ − ∂ A → ∂ t (\displaystyle (\vec (E))=-\nabla \varphi -(\partial (\vec (A)) \over \partial t))

    Più dettagli

    Poiché il vettore dell'induzione magnetica, per definizione, è espresso attraverso il potenziale vettore come segue:

    B → = r o t A → ≡ ∇ × A → , (\displaystyle (\vec (B))=rot\ (\vec (A))\equiv \nabla \times (\vec (A)),)

    quindi puoi sostituire questa espressione in

    r o t E → ≡ ∇ × E → = − ∂ B → ∂ t , (\displaystyle rot\ (\vec (E))\equiv \nabla \times (\vec (E))=-(\frac (\partial ( \vec (B)))(\parziale t)),) ∇ × E → = − ∂ (∇ × A →) ∂ t , (\displaystyle \nabla \times (\vec (E))=-(\frac (\partial (\nabla \times (\vec (A)) ))(\parziale t)),)

    e, invertendo la differenziazione in coordinate temporali e spaziali (rotore):

    ∇ × E → = - ∇ × ∂ UN → ∂ t . (\displaystyle \nabla \times (\vec (E))=-\nabla \times (\frac (\partial (\vec (A)))(\partial t)).)

    Quindi, poiché ∇ × E → (\displaystyle \nabla \times (\vec (E)))è completamente determinato dal lato destro dell'ultima equazione, è chiaro che la parte vorticosa del campo elettrico (la parte che ha un rotore, in contrasto con il campo irrotazionale ∇ φ (\displaystyle \nabla \varphi )) - è completamente determinato dall'espressione

    − ∂ UN → ∂ t . (\displaystyle -(\frac (\partial (\vec (A)))(\partial t)).)

    Quelli. in assenza di una parte irrotazionale, possiamo scrivere

    E → = − ∂ A → ∂ t , (\displaystyle (\vec (E))=-(\frac (\partial (\vec (A)))(\partial t)),)

    e nel caso generale

    E → = - ∇ φ - d UN → d t . (\displaystyle (\vec (E))=-\nabla \varphi -(\frac (d(\vec (A)))(dt)).) Nel 1831 arrivò il trionfo: scoprì il fenomeno dell'induzione elettromagnetica. L'allestimento in cui Faraday fece la sua scoperta prevedeva che Faraday realizzasse un anello di ferro dolce di circa 2 cm di larghezza e 20 cm di diametro e avvolgesse molti giri di filo di rame su ciascuna metà dell'anello. Il circuito di un avvolgimento era chiuso da un filo, alle sue spire c'era un ago magnetico, sufficientemente rimosso in modo che l'effetto del magnetismo creato nell'anello non influisse. La corrente proveniente da una batteria di celle galvaniche veniva fatta passare attraverso il secondo avvolgimento. Quando si accendeva la corrente, l'ago magnetico faceva diverse oscillazioni e si calmava; quando la corrente veniva interrotta, l'ago oscillava nuovamente. Si è scoperto che l'ago deviava in una direzione quando la corrente veniva attivata e nell'altra quando la corrente veniva interrotta. M. Faraday ha stabilito che è possibile “convertire il magnetismo in elettricità” utilizzando un normale magnete.

    Allo stesso tempo, anche il fisico americano Joseph Henry condusse con successo esperimenti sull'induzione di correnti, ma mentre stava per pubblicare i risultati dei suoi esperimenti, sulla stampa apparve un messaggio di M. Faraday sulla sua scoperta dell'induzione elettromagnetica.

    M. Faraday cercò di sfruttare il fenomeno da lui scoperto per ottenere una nuova fonte di elettricità.

    FARADAY. SCOPERTA DELL'INDUZIONE ELETTROMAGNETICA

    Ossessionato dalle idee sulla connessione inestricabile e sull'interazione delle forze della natura, Faraday ha cercato di dimostrare che proprio come Ampere poteva creare magneti con l'aiuto dell'elettricità, così era possibile creare elettricità con l'aiuto dei magneti.

    La sua logica era semplice: il lavoro meccanico si trasforma facilmente in calore; al contrario, il calore può essere convertito in lavoro meccanico (ad esempio in una macchina a vapore). In generale, tra le forze della natura, si verifica più spesso la seguente relazione: se A dà alla luce B, allora B dà alla luce A.

    Se Ampere ha ottenuto i magneti con l'aiuto dell'elettricità, allora, a quanto pare, è possibile "ottenere elettricità dal magnetismo ordinario". Arago e Ampère si sono posti lo stesso compito a Parigi, Colladon a Ginevra.

    Faraday effettuò molti esperimenti e tenne appunti pedanti. A ogni piccolo studio dedica un paragrafo nei suoi appunti di laboratorio (pubblicati integralmente a Londra nel 1931 con il titolo “Faraday’s Diary”). La capacità di lavoro di Faraday è testimoniata dal fatto che l'ultimo paragrafo del "Diario" è contrassegnato dal numero 16041. La brillante abilità di Faraday come sperimentatore, l'ossessione e la chiara posizione filosofica non potevano che essere premiate, ma ci sono voluti undici lunghi anni aspettare il risultato.

    A parte la sua convinzione intuitiva nella connessione universale dei fenomeni, nulla lo ha effettivamente sostenuto nella sua ricerca dell’“elettricità dal magnetismo”. Inoltre, come il suo insegnante Davy, si affidava più alle sue esperienze che ai costrutti mentali. Davy gli ha insegnato:

    Un buon esperimento vale più della profondità di un genio come Newton.

    Eppure proprio Faraday era destinato a grandi scoperte. Grande realista, ha spezzato spontaneamente le catene empiriste che Davy una volta gli aveva imposto, e in quei momenti gli è venuta in mente una grande intuizione: ha acquisito la capacità di fare le generalizzazioni più profonde.

    Il primo barlume di fortuna si ebbe solo il 29 agosto 1831. Quel giorno Faraday stava testando in laboratorio un semplice dispositivo: un anello di ferro del diametro di circa quindici centimetri, avvolto in due pezzi di filo isolato. Quando Faraday collegò la batteria ai terminali di un avvolgimento, il suo assistente, il sergente di artiglieria Andersen, vide l'ago del galvanometro collegato all'altro avvolgimento contrarsi.

    Si contrasse e si calmò, sebbene la corrente continua continuasse a fluire attraverso il primo avvolgimento. Faraday ha esaminato attentamente tutti i dettagli di questa semplice installazione: tutto era in ordine.

    Ma l'ago del galvanometro era ostinatamente fermo a zero. Per la frustrazione, Faraday decise di spegnere la corrente, e poi accadde un miracolo: mentre il circuito si apriva, l'ago del galvanometro oscillò di nuovo e si congelò di nuovo a zero!

    Faraday era perplesso: in primo luogo, perché l'ago si comporta in modo così strano? In secondo luogo, le esplosioni che ha notato si riferiscono al fenomeno che stava cercando?

    Fu qui che le grandi idee di Ampere - la connessione tra corrente elettrica e magnetismo - furono rivelate a Faraday in tutta la loro chiarezza. Dopotutto, il primo avvolgimento a cui ha fornito corrente è diventato immediatamente un magnete. Se lo consideriamo come un magnete, l'esperimento del 29 agosto ha dimostrato che il magnetismo sembra dare vita all'elettricità. Solo due cose sono rimaste strane in questo caso: perché l'ondata di elettricità quando l'elettromagnete è stato acceso si è attenuata rapidamente? E poi perché appare lo splash quando il magnete è spento?

    Il giorno successivo, 30 agosto, una nuova serie di esperimenti. L'effetto è chiaramente espresso, ma tuttavia del tutto incomprensibile.

    Faraday sente che c'è una scoperta da qualche parte nelle vicinanze.

    “Ora sto di nuovo studiando l'elettromagnetismo e penso di aver trovato un successo, ma non posso ancora confermarlo. Può darsi benissimo che, dopo tutte le mie fatiche, mi ritroverò con le alghe invece che con i pesci.

    La mattina successiva, il 24 settembre, Faraday aveva preparato molti dispositivi diversi, i cui elementi principali non erano più avvolgimenti con corrente elettrica, ma magneti permanenti. E c'era anche un effetto! La freccia deviò e si precipitò immediatamente sul posto. Questo leggero movimento si verificava durante le manipolazioni più inaspettate con il magnete, a volte apparentemente per caso.

    Il prossimo esperimento è il 1 ottobre. Faraday decide di tornare all'inizio: a due avvolgimenti: uno con corrente, l'altro collegato al galvanometro. La differenza con il primo esperimento è l'assenza dell'anello-nucleo in acciaio. Lo splash è quasi impercettibile. Il risultato è banale. È chiaro che un magnete senza nucleo è molto più debole di un magnete con nucleo. Pertanto, l’effetto è meno pronunciato.

    Faraday è deluso. Per due settimane non si avvicina agli strumenti, pensando alle ragioni del fallimento.

    Faraday sa in anticipo come ciò accadrà. L'esperimento riesce brillantemente.

    “Ho preso una barra magnetica cilindrica (3/4 pollici di diametro e 8 1/4 pollici di lunghezza) e ho inserito un'estremità in una bobina di filo di rame (lunga 220 piedi) collegata a un galvanometro. Quindi ho spinto rapidamente il magnete all'interno della spirale per tutta la sua lunghezza e l'ago del galvanometro ha subito una spinta. Poi altrettanto velocemente ho tirato fuori il magnete dalla spirale e la freccia ha oscillato di nuovo, ma nella direzione opposta. Queste oscillazioni dell’ago venivano ripetute ogni volta che il magnete veniva spinto o espulso”.

    Il segreto sta nel movimento del magnete! L'impulso elettrico non è determinato dalla posizione del magnete, ma dal movimento!

    Ciò significa che "un'onda elettrica nasce solo quando un magnete si muove e non a causa delle proprietà inerenti ad esso a riposo".

    Questa idea è incredibilmente fruttuosa. Se il movimento di un magnete rispetto a un conduttore crea elettricità, a quanto pare il movimento di un conduttore rispetto a un magnete dovrebbe generare elettricità! Inoltre, questa “onda elettrica” non scomparirà finché continua il movimento reciproco del conduttore e del magnete. Ciò significa che è possibile realizzare un generatore di corrente elettrica che può funzionare per tutto il tempo desiderato, purché continui il movimento reciproco del filo e del magnete!

    Il 28 ottobre Faraday installò un disco rotante di rame tra i poli di un magnete a ferro di cavallo, dal quale la tensione elettrica poteva essere rimossa mediante contatti striscianti (uno sull'asse, l'altro sulla periferia del disco). È stato il primo generatore elettrico creato da mani umane.

    Dopo l'"epopea elettromagnetica", Faraday fu costretto a interrompere il suo lavoro scientifico per diversi anni: il suo sistema nervoso era così esaurito...

    Esperimenti simili a quello di Faraday, come già accennato, furono condotti in Francia e Svizzera. Il professor Colladon dell'Accademia di Ginevra era uno sperimentatore sofisticato (effettuò, ad esempio, misurazioni precise della velocità del suono nell'acqua del Lago di Ginevra). Forse, temendo lo scuotimento degli strumenti, lui, come Faraday, se possibile, rimosse il galvanometro dal resto dell'installazione. Molti sostenevano che Colladon osservasse gli stessi movimenti fugaci dell'ago di Faraday, ma, aspettandosi un effetto più stabile e duraturo, non attribuirono la dovuta importanza a questi lampi "casuali"...

    In effetti, l'opinione della maggior parte degli scienziati di quel tempo era che l'effetto inverso della "creazione di elettricità dal magnetismo" dovrebbe apparentemente avere lo stesso carattere stazionario dell'effetto "diretto" - "formazione di magnetismo" dovuto alla corrente elettrica. L'inaspettata "fugabilità" di questo effetto confuse molti, compreso Colladon, e questi molti pagarono per il loro pregiudizio.

    Anche Faraday inizialmente fu confuso dalla natura fugace dell'effetto, ma si fidò più dei fatti che delle teorie, e alla fine arrivò alla legge dell'induzione elettromagnetica. A quel tempo questa legge sembrava imperfetta, brutta, strana e priva di logica interna.

    Perché la corrente viene eccitata solo quando il magnete si muove o la corrente cambia nell'avvolgimento?

    Nessuno lo ha capito. Anche lo stesso Faraday. Diciassette anni dopo, Hermann Helmholtz, un chirurgo militare ventiseienne della guarnigione provinciale di Potsdam, se ne rese conto. Nel classico articolo "Sulla conservazione della forza", formulando la sua legge di conservazione dell'energia, dimostrò per la prima volta che l'induzione elettromagnetica dovrebbe esistere proprio in questa forma "brutta".

    Anche il vecchio amico di Maxwell, William Thomson, arrivò a questa conclusione in modo indipendente. Inoltre ottenne l'induzione elettromagnetica di Faraday dalla legge di Ampere, tenendo conto della legge di conservazione dell'energia.

    Così, l’induzione elettromagnetica “fugace” acquisì diritti di cittadinanza e fu riconosciuta dai fisici.

    Ma non rientrava nei concetti e nelle analogie dell’articolo di Maxwell “Sulle linee di forza di Faraday”. E questo era un grave difetto nell'articolo. In pratica, il suo significato si riduceva a illustrare che le teorie dell'azione a breve e lungo raggio rappresentano diverse descrizioni matematiche degli stessi dati sperimentali e che le linee di campo di Faraday non contraddicono il buon senso. E questo è tutto. Tutto, anche se era già tanto.

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    ALLA TEORIA ELETTROMAGNETICA DELLA LUCE L'articolo “Sulle linee fisiche di forza” è stato pubblicato in parti. E la terza parte di essa, come entrambe le precedenti, conteneva nuove idee di estremo valore. Maxwell scriveva: “Si deve supporre che la sostanza delle cellule abbia elasticità di forma.

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    Dal libro di Nietzsche. Per chi vuole fare tutto. Aforismi, metafore, citazioni autore Sirota E. L.

    MICHAEL FARADAY (1791–1867) L'aria nella legatoria era piena dell'odore della colla per legno. Situati in mezzo a una pila di libri, gli operai chiacchieravano allegramente e cucivano insieme diligentemente fogli stampati. Michael stava incollando un grosso volume dell'Enciclopedia Britannica. Sognava di leggerlo

    Dal libro dell'autore

    Alla scoperta del Sud Nell'autunno del 1881, Nietzsche rimase affascinato dall'opera di Georges Bizet: ascoltò la sua “Carmen” a Genova una ventina di volte! Georges Bizet (1838–1875) - famoso compositore romantico francesePrimavera 1882 - un nuovo viaggio: da Genova in nave a Messina, di cui un po'

    Finora abbiamo considerato campi elettrici e magnetici che non cambiano nel tempo. Si è scoperto che il campo elettrico è creato da cariche elettriche e il campo magnetico da cariche in movimento, cioè corrente elettrica. Passiamo alla conoscenza dei campi elettrici e magnetici, che cambiano nel tempo.

    Il fatto più importante scoperto è la stretta relazione tra campi elettrici e magnetici. Un campo magnetico variabile nel tempo genera un campo elettrico, mentre un campo elettrico variabile genera un campo magnetico. Senza questa connessione tra i campi, la varietà delle manifestazioni delle forze elettromagnetiche non sarebbe così ampia come in realtà sono. Non ci sarebbero né onde radio né luce.

    Non è un caso che il primo passo decisivo nella scoperta di nuove proprietà delle interazioni elettromagnetiche sia stato compiuto dal fondatore del concetto di campo elettromagnetico: Faraday. Faraday era fiducioso nella natura unificata dei fenomeni elettrici e magnetici. Grazie a ciò, fece una scoperta, che successivamente costituì la base per la progettazione di generatori per tutte le centrali elettriche del mondo, convertendo l'energia meccanica in energia elettrica. (Altre fonti: celle galvaniche, batterie, ecc. - forniscono una quota insignificante dell'energia generata.)

    Una corrente elettrica, ragionò Faraday, può magnetizzare un pezzo di ferro. Un magnete non potrebbe, a sua volta, provocare una corrente elettrica?

    Per molto tempo non è stato possibile scoprire questa connessione. Era difficile capire la cosa principale, vale a dire: solo un magnete in movimento o un campo magnetico variabile nel tempo possono eccitare una corrente elettrica in una bobina.

    Il fatto seguente mostra che tipo di incidenti avrebbero potuto impedire la scoperta. Quasi contemporaneamente a Faraday, il fisico svizzero Colladon cercò di produrre corrente elettrica in una bobina utilizzando un magnete. Durante il lavoro, utilizzava un galvanometro, il cui ago magnetico leggero era posizionato all'interno della bobina del dispositivo. Affinché il magnete non avesse un effetto diretto sull'ago, le estremità della bobina in cui Colladon inserì il magnete, sperando di ricevere corrente, furono portate nella stanza accanto e lì collegate a un galvanometro. Dopo aver inserito il magnete nella bobina, Colladon entrò nella stanza accanto e, con disappunto,

    Mi sono assicurato che il galvanometro non mostrasse corrente. Se avesse dovuto solo guardare continuamente il galvanometro e chiedere a qualcuno di lavorare sul magnete, sarebbe stata fatta una scoperta notevole. Ma ciò non è avvenuto. Un magnete a riposo rispetto alla bobina non genera corrente al suo interno.

    Il fenomeno dell'induzione elettromagnetica consiste nel verificarsi di una corrente elettrica in un circuito conduttore, che è fermo in un campo magnetico variabile nel tempo o si muove in un campo magnetico costante in modo tale che il numero di linee di induzione magnetica che penetrano nel modifiche del circuito. Fu scoperto il 29 agosto 1831. È raro che la data di una nuova straordinaria scoperta sia conosciuta con tanta precisione. Ecco una descrizione del primo esperimento fornita dallo stesso Faraday:

    “Un filo di rame lungo 203 piedi era avvolto su un largo rocchetto di legno, e tra le sue spire era avvolto un filo della stessa lunghezza, ma isolato dal primo con un filo di cotone. Una di queste spirali era collegata ad un galvanometro, e l'altra ad una potente batteria composta da 100 paia di piastre... Quando il circuito era chiuso, sul galvanometro si notava un'azione improvvisa ma estremamente debole, e lo stesso si notava quando la corrente si fermò. Con il continuo passaggio di corrente attraverso una delle spirali, non è stato possibile notare né un effetto sul galvanometro, né alcun effetto induttivo sull'altra spirale, nonostante il riscaldamento dell'intera spirale collegata alla batteria e la luminosità della scintilla che saltava tra i carboni indicava la potenza della batteria" (Faraday M. "Experimental Research in Electricity", 1a serie).

    Quindi, inizialmente, l'induzione è stata scoperta nei conduttori che sono immobili l'uno rispetto all'altro durante la chiusura e l'apertura del circuito. Quindi, comprendendo chiaramente che avvicinare o allontanare i conduttori percorsi da corrente dovrebbe portare allo stesso risultato della chiusura e dell'apertura di un circuito, Faraday ha dimostrato attraverso esperimenti che la corrente si forma quando le bobine si muovono l'una verso l'altra.

    riguardo ad un amico. Conoscendo le opere di Ampere, Faraday capì che un magnete è un insieme di piccole correnti che circolano nelle molecole. Il 17 ottobre, come riportato nel suo taccuino di laboratorio, fu rilevata una corrente indotta nella bobina mentre il magnete veniva spinto dentro (o estratto). Nel giro di un mese Faraday scoprì sperimentalmente tutte le caratteristiche essenziali del fenomeno dell'induzione elettromagnetica.

    Attualmente tutti possono ripetere gli esperimenti di Faraday. Per fare questo, devi avere due bobine, un magnete, una batteria di elementi e un galvanometro abbastanza sensibile.

    Nell'installazione mostrata nella Figura 238, una corrente di induzione si verifica in una delle bobine quando il circuito elettrico di un'altra bobina, stazionaria rispetto alla prima, viene chiuso o aperto. Nell'installazione della Figura 239, l'intensità di corrente in una delle bobine viene modificata utilizzando un reostato. Nella Figura 240, a, la corrente di induzione appare quando le bobine si muovono l'una rispetto all'altra e nella Figura 240, b - quando un magnete permanente si muove rispetto alla bobina.

    Lo stesso Faraday aveva già capito il concetto generale da cui dipende la comparsa di una corrente di induzione in esperimenti che esteriormente sembrano diversi.

    In un circuito conduttivo chiuso, si forma una corrente quando cambia il numero di linee di induzione magnetica che attraversano l'area limitata da questo circuito. E quanto più velocemente cambia il numero di linee di induzione magnetica, tanto maggiore è la corrente di induzione risultante. In questo caso il motivo della variazione del numero di linee di induzione magnetica è del tutto indifferente. Ciò può essere un cambiamento nel numero di linee di induzione magnetica che penetrano nell'area di un circuito conduttore stazionario a causa di un cambiamento nell'intensità di corrente nella bobina adiacente (Fig. 238), o un cambiamento nel numero di linee di induzione dovuto al movimento del circuito in un campo magnetico non uniforme, la cui densità delle linee varia nello spazio (Fig. 241).

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