основной для создания какого прибора послужили исследования электромагнитной индукции

Легковая автомашина массой 1610 кг притормаживает на прямолинейном отрезке дороги. Модуль ускорения равен 2 м/с2. Действующая на машину сила тяги равн … а 270H

Легковая автомашина массой 1000 610 кг притормаживает притормаживает на прямолинейный отрезке дороги модуль ускорение равна два метров в секунду квадр … ате а действующая на машину сила тяги равна 270 аж

дріт довжиною 30 см і підвішений горизонтально на двох невагомих нитках у вертикальному магнітному полі з індукцією 0,2Тл.Знайти масу дроту,якщо нитк … и відхиляться від вертикалі на кут 27 градусів,а по дроту тече струм силою 16А Помогите срочно !!!! 35 балов

СРОЧНО ФІЗИКА 10 КЛАС​

Задание в прикреплённой фотографии. ​

При каком угле поворота проволочной рамки по отношению к магнитному полю магнитный поток через рамку будет максимален и почему?​

 Пожалуйста решите с Дано, формулой и решением пожалуйста!!!очень нужно!!!ПИСЬМЕННАЯ РАБОТА ПО ФИЗИКЕ 10-КЛАСС 1. Скорость теплохода в воде в состояни … и покоя составляет 35 км/час. За какое время он преодолеет расстояние между пристанями, расположенными по течению на расстоянии 18 км друг от друга? Скорость течения реки 1 км/час.2. Начальная скорость предмета, падающего с крыши здания высотой 35 м, равна           30 м/сек. Чему равняется его скорость в момент столкновения с землей?3. Если, космический корабль массой 6,6 т движется по орбите со скоростью 7,8 м/с, чему будет равна его кинетическая энергия? 4. Чему равна потенциальная и кинетическая энергия тела массой 3 кг, свободно падающего с высоты 5 м, на высоте 2 м от поверхности земли?5. С какой начальной скоростью u0 нужно бросить мяч с высоты h, чтобы мяч подпрыгнул обратно от земли на высоту 4 м? Столкновение считать абсолютно упругим. ​

условно, мяч кинули с снизу вверх и он побывал на высоте 45 м дважды,его конечная скорость 30 м в с и какое время разделяет эти два события

как это решить? срочно пж​

определите среднюю скорость если на участки 50 км автомобиль развивает скорость 90км/ч на участке 10 метров 5 км/ч а на участке 8 км/15 м/с​

«Электромагнитная индукция. Переменный ток»(11 класс, физика)

Просмотр содержимого документа
«Тест на тему: «Электромагнитная индукция. Переменный ток»(11 класс, физика)»

Электромагнитная индукция. Переменный ток.

1. Фарадей обнаружил…

1. отклонение магнитной стрелки при протекании электрического тока по проводу.

2. взаимодействие параллельных токов.

3. возникновение тока в замкнутой катушке при опускании в нее магнита.

4. взаимодействие двух магнитных стрелок.

1. В металлическое кольцо в течение первых двух секунд вдвигают магнит, в течение следующих двух секунд магнит оставляют неподвижным внутри кольца, в течение последующих двух секунд его вынимают из кольца. В какие промежутки времени в катушке течет ток?

1. 0-6 с.

2. 0-2 с и 4-6 с.

3. 2-4 с.

4. Только 0-2 с.

1. Круглый проволочный виток площади S= 2м² расположен перпендикулярно линиям вектора магнитной индукции однородного магнитного поля. Величина вектора магнитной индукции равна 0,04 Тл. За время Δt =0,01 с магнитное поле равномерно спадает до нуля. Чему равно ЭДС индукции, генерируемое при этом в витке?

1. 8 В.

2. 2 В.

3. 0,8 мВ.

4. 0 В.

4.Исследование явления электромагнитной индукции послужило основой для создания…

1. генератора электрического тока.

2. электродвигателя.

3. теплового двигателя.

4. лазера.

5. При пропускании изменяющегося во времени тока через катушку с сердечником у конца сердечника возникает …

1. только переменное магнитное поле.

2. только переменное вихревое электрическое поле.

3. и переменное магнитное, и переменное вихревое электрическое поле.

4. ни магнитного, ни электрического полей.

6. На рисунке представлена электрическая схема. В какой лампе после замыкания ключа сила тока позже достигнет своего максимального значения?

1. В первой.

2. Во второй.

3. В третьей

4. Во всех одновременно.

7. С помощью какой из приведенных ниже формул можно рассчитать индуктивность проволочного витка?

А) L=Ф/I; Б) L= εsi·Δt/ΔI;

1.только А.

2. только Б.

3. А и Б.

4. Ни А, ни Б.

8. Период колебаний в колебательном контуре, состоящем из конденсатора емкости С=100мкф и катушки индуктивности L= 10нГн, равен… (ответ выразить в микросекундах, округлив его до целых).

9. Напряжение на выходных клеммах генератора меняется по закону u(t) = 280cjs100t. Действующее значение напряжения в этом случае равно…

1) 396 В. 2) 280 В. 3) 200 В. 4) 100 В.

1 0. Сила тока в металлическом проводнике меняется с течением времени согласно графику, приведенному на рисунке. Период колебаний силы тока равен…

1. 2 с.

2. 0,02 с.

3. 0,05 с.

4. 0,04 с.

Ответы:

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
3	2	1	1	3	3	3	6	200	4

Экспериментальное исследование электромагнитной индукции (Реферат)

Содержание:

1. История открытия явления электромагнитной индукции
2. Современная теория электромагнитной индукции
3. Заключение

Предмет:	Физика
Тип работы:	Реферат
Язык:	Русский
Дата добавления:	08.08.2019

 

 

 

 

 

• Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой выпускной квалификационной работой!
• Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала для самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

 

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

Введение:

Использование новых информационных технологий в образовательном процессе стало не только возможным, но и необходимым условием для полноценного приобретения знаний. Современные средства новых информационных технологий позволяют проводить исследования физических процессов в виртуальном режиме, строить графики, проводить сравнения и анализировать полученные данные. Компьютер со специальной программой помогает студенту проводить эксперименты в виртуальном режиме, обрабатывать результаты, фактически видеть физические процессы, происходящие с их графическим отображением в тех экспериментах, когда это невозможно увидеть с помощью реальной схемы соединений во время эксперимента. 

Этот метод имеет следующие преимущества по сравнению с обычными методами измерения:

• Возможность мгновенной регистрации происходящих явлений;
• Наличие компьютерной программы, которая обрабатывает результаты эксперимента, освобождает студентов от рутинных математических операций и представляет результаты эксперимента в удобной форме;
• Наблюдая за экспериментами в виртуальном режиме, студент видит, как физические явления протекают в отдельных участках цепи;
• Наличие нескольких повторений эксперимента с минимальными затратами времени на рутинные операции по его проведению.

Выполняя лабораторные работы, решая экспериментальные задачи, наблюдая физические явления за пределами лаборатории, все эти модели исследовательской поисковой деятельности будут актуальны в будущей жизни студента независимо от выбранной профессии.

Все эти эксперименты помогают учащемуся понять физическую сущность явления электромагнитной индукции и увидеть применение этого явления в производстве и повседневной жизни.

История открытия явления электромагнитной индукции

Мистер Фарадей недавно открыл новый класс электродинамических явлений. Он представил эти мемуары Лондонскому королевскому обществу, но эти мемуары еще не опубликованы. Мы знаем о нем только записку, переданную г-ном Гашеттом в Академию наук в Париже 26 декабря на основе письма, которое он получил от самого г-на Фарадея. 

Это сообщение побудило джентльмена Антинори и меня немедленно повторить основной эксперимент и изучить его с разных точек зрения. Мы льстим себе надеждой, что полученные нами результаты имеют определенное значение, и поэтому мы спешим публиковать их, не имея предыдущих материалов, за исключением примечания, которое послужило отправной точкой в ​​нашем исследовании. 

В первом, озаглавленном «Возбуждение гальванического электричества», мы находим следующий главный факт: гальванический ток, проходящий через металлическую проволоку, создает другой ток в приближающейся проволоке; второй ток противоположен первому и длится всего одно мгновение. Если ток возбуждения удаляется, то в проводнике появляется ток под его воздействием, противоположный тому, который возник в нем в первом случае, то есть в том же направлении, что и ток возбуждения. 

Вторая часть мемуаров посвящена электрическим токам, вызванным магнитом. Приближая катушки к магнитам, мистер Фарадей производил электрические токи; когда катушки были сняты, появились токи противоположного направления. Эти токи оказывают сильное влияние на гальванометр и проходят, хотя и слабо, через рассол и другие растворы. Отсюда следует, что этот ученый, используя магнит, возбудил электрические токи, обнаруженные г-ном Ампера. 

Третья часть мемуаров касается основного электрического состояния, которое г-н Фарадей называет электронным состоянием.

В четвертой части рассказывается о необычном и любопытном опыте г-на Араго; Как известно, этот эксперимент заключается в том, что магнитная стрелка вращается под воздействием вращающегося металлического диска. Он обнаружил, что, когда металлический диск вращается под воздействием магнита, электрические токи могут появляться в количестве, достаточном для того, чтобы сделать новую электрическую машину из диска. 

Нам не нужно было делать никаких предварительных экспериментов, чтобы получить удачу с опытом мистера Фарадея. Самые первые катушки, которые мы подвели ближе к полюсу магнита, сразу же оказали свое влияние на гальванометр. 

Когда мы экспериментировали с кольцевой катушкой между полюсами подковообразного магнита, мы заметили, что действие было намного слабее, чем то, которое создавалось той же катушкой, когда ее якорь прикладывался к магниту. Этот факт говорит о том, что это возможно, 

Намотав на такой магнит медную проволоку, покрытую шелком, приготовьте устройство, всегда готовое к таким экспериментам.

Современная теория электромагнитной индукции

Взаимосвязь электрических и магнитных полей была установлена ​​английским физиком М. Фарадеем. Электрические токи создают вокруг них магнитное поле. Может ли магнитное поле вызвать появление 

Электрическое поле? Фарадей экспериментально обнаружил, что при изменении магнитного потока, проникающего в замкнутый контур, в нем возникает электрический ток. Это явление было названо электромагнитной индукцией. Ток, возникающий в результате явления электромагнитной индукции, называется индукцией.

Строго говоря, перемещение цепи в магнитном поле генерирует не определенный ток, а определенную ЭДС. Более детальное изучение электромагнитной индукции показало, что ЭДС индукции, возникающая в любом замкнутом контуре, равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этой петлей, взятую с обратным знаком. 

Заключение

Электродвижущая сила в цепи является результатом действия внешних сил, то есть сил неэлектрического происхождения. Когда проводник движется в магнитном поле, роль внешних сил играет сила Лоренца, под воздействием которой разделяются заряды, в результате чего на концах проводника возникает разность потенциалов.

ЭДС индукции в проводнике характеризует работу по перемещению одного положительного заряда вдоль проводника. 

Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы электрических генераторов. Если проволочный каркас равномерно вращается в однородном магнитном поле, то возникает индуцированный ток, который периодически меняет свое направление. Даже один кадр, вращающийся в однородном магнитном поле, является генератором переменного тока. 

 

6.3. Электромагнетизм. Электромагнитная индукция — Энергетика: история, настоящее и будущее

6.3. Электромагнетизм. Электромагнитная индукция

Как правило, начиная со времен Гильберта ученые стали выводить законы природы из своих экспериментов. Так как никакой связи между магнитом и заряженным проводником не замечалось, то долгое время считалось, что никакой связи между электрическими и магнитными явлениями не существует. Поэтому, когда в 1802 году итальянский физик Джованни Романьози (1761–1835) заметил, что находящаяся вблизи проводника, по которому течет ток, магнитная стрелка изменяет свое направление, то он совершенно не оценил значения своего наблюдения.

В 1883 году в Вене проводилась электрическая выставка. На ней датчане выставили маленький компас. Незаметная вещь лежала в стороне от основного потока посетителей. А по справедливости следовало бы этот компас поместить в центр выставки, так как от него берет свое начало вся электротехника.

Вторично в начале 1820 года первооткрыватель электромагнетизма датский физик Ганс Христиан Эрстед сделал открытие совершенно нового электрического явления, заключавшегося в том, что при прохождении тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле.

На одной из своих лекций по физике он решил продемонстрировать студентам отсутствие связи между электричеством и магнетизмом, включив электрический ток вблизи магнитной стрелки. По словам одного из слушателей, Эрстед был совершенно ошарашен, увидев, как магнитная стрелка после включения тока начала совершать колебания. Эрстед сумел отказаться от своих прежних воззрений (и это является его большой заслугой) и случайное наблюдение принять за экспериментально установленный факт.

Соединив длинным проводом полюсы гальванической батареи, Эрстед протянул провод горизонтально и параллельно подвешенной свободно магнитной стрелке. Как только включали ток, стрелка немедленно отклонялась, стремясь стать перпендикулярно к направлению провода. При изменении направления тока стрелка отклонялась в другую сторону (рис. 6.5, 6.6). Своими опытами Эрстед доказал, что ток производит в окружающем его пространстве маг- нитное действие. Результаты исследования Эрстед изложил в своем знаменитом мемуаре «О воздействии электрического конфликта на магнитную стрелку». В этой работе «электрическим конфликтом» был назван электрический ток.

Ганс Христиан Эрстед (1777–1851) известен своими трудами по электричеству, акустике, молекулярной физике. Поступив в Копенгагенский университет, он изучает медицину, физику, астрономию, философию, поэзию. В 1806 году становится профессором Копенгагенского университета. 

Эта небольшая, всего в пять страниц, работа Эрстеда в том же году была издана в Копенгагене на шести языках. Сами опыты его были повторены осенью 1820 года швейцарским естествоиспытателем де ля Ривом на съезде естествоиспытателей в Женеве. На этом съезде присутствовал член Парижской академии наук Араго, который по возвращении на заседании академии показал опыт Эрстеда, где его впервые увидел Андре Ампер. До конца 1820 года Араго провел ряд исследований, из которых наиболее важным было открытие в 1824 году явления увлечения медного диска вращающимся вблизи него магнитом. Это явление, названное «магнетизмом вращения», долгое время оставалось лишь эффектным физическим опытом. Позднее оно послужило основой многих практических изобретений и, в частности, электродвигателя переменного тока.

Открытие взаимодействия между током и магнитом было важным шагом на пути утверждения идеи единства сил природы и стало началом новой эпохи в учении об электричестве и магнетизме. Это взаимодействие сыграло важную роль в развитии техники физического эксперимента. Ведь по отклонению магнитной стрелки можно было судить о силе проходящего вблизи нее электрического тока.

Сообщение Эрстеда поразило его современников. Каждый, кто имел в своем распоряжении компас и простейший источник тока, стремился собственными глазами увидеть загадочное отклонение магнитной стрелки. В августе 1820 года еще относительно молодой и не вполне опытный, но ставший впоследствии великим, английский физик Майкл Фарадей повторил эти опыты, убедившись, что Эрстед прав: протекание тока в проводе неизбежно вызывало отклонение размещенной поблизости магнитной стрелки. Но правильно истолковать результаты опытов Эрстеда было суждено не Фарадею, а французскому физику Андре Амперу, узнавшему об опытах Эрстеда на месяц позже Фарадея. Этот «докучливый умник Ампер» опередил всех, создав всего за две недели свою стройную теорию образования магнетизма за счет электричества.

Рис. 6.5. Эрстед демонстрирует отклонение магнитной стрелки под действием электрического тока (по рисунку Р.Шторха)

Рис. 6.6. Отклонение магнитной стрелки под действием тока

В том же 1820 году Ампер выступает с сообщением о новом явлении – взаимодействии двух проводников, по которым течет ток, и устанавливает закон этого взаимодействия (позднее названный законом Ампера). В этом сообщении ученый делает вывод, что «все магнитные явления сводятся к чисто электрическим эффектам». Согласно гипотезе Ампера, любой магнит содержит внутри себя множество круговых электрических токов, действием которых и объясняются магнитные силы.

В течение очень короткого времени он выполнил ряд важных исследований, блестяще подтверждавших его мысли. Позднее все полученные результаты были систематизированы Ампером в его книге «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», опубликованной в 1826 году.

Андре Мари Ампер (1775–1836) Проводя детство и отрочество в поместье своего отца, Ампер основательно изучил все 20 томов энциклопедического словаря, издававшегося Д’Аламбером и Дидро. К 12 годам Ампер самостоятельно разобрался в основах высшей математики – дифференциальном исчислении, научился интегрировать, а в возрасте 13 лет уже представил свои первые работы по математике в Лионскую академию! Именно Амперу принадлежит заслуга введения в науку терминов «электростатика», «электродинамика», «электродвижущая сила», «напряжение», «гальванометр», «электрический ток» и даже… «кибернетика».

Ампер не только догадался, что при изучении магнитного взаимодействия нужно прежде всего исследовать взаимодействие электрических токов, но сам тут же занялся экспериментальными исследованиями этого взаимодействия. В частности, Ампер экспериментально установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение при пропускании через них электрического тока в одном направлении и отталкиваются, если токи имеют противоположные направления. Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током (сила Ампера), пропорциональна длине проводника, величине тока, проходящего по нему, и зависит от ориентации проводника в магнитном поле.

Направление вектора силы Ампера определяется правилом левой руки, в соответствии с которым необходимо расположить левую руку так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в проводнике, а вектор магнитной индукции входил бы в ладонь перпендикулярно. Тогда большой палец, отогнутый под прямым углом в плоскости ладони, будет указывать направление вектора силы Ампера.

Прошло еще два года, и Ампер открыл магнитный эффект катушки с током. «Всякий проводник с током, – писал Ампер, – создает вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого образуют круги, концентричные относительно средней линии проводника и лежащие в плоскостях, нормальных к элементам проводника». Магнитное действие электрического тока еще более усиливается, когда проводящая проволока скручена в несколько параллельных колец, изолированных друг от друга. Такую форму проводника Ампер предложил назвать соленоидом.

Соленоид Ампера (рис. 6.7) представляет собой полное подобие магнита. Поместив его концы S 1 и S 2 в сосуды с ртутью таким образом, чтобы весь соленоид мог свободно вращаться вокруг вертикальной

оси, проходящей через S 1 и S 2, и, пропустив через него ток, Ампер установил, что он, как обыкновенный магнит, установится по осевому направлению в плоскости магнитного меридиана. Если приблизить к соленоиду магнит, то одним концом соленоид будет к нему притягиваться, а от другого отталкиваться, причем направление притягивания и отталкивания зависит от направления тока в соленоиде.

 

Рис. 6.9. Электромагнит

Рис. 6.7. Соленоид Ампера

Рис. 6.8. Соленоид с железнім сердечником

Установленное Ампером соотношение между током и магнитом навело его на мысль искать причину магнетизма в возникновении молекулярных гальванических токов, обтекающих каждую частицу магнитного тела. Металлический стержень, будучи помещен внутрь спирально скрученной изолированной проволоки (рис. 6.8), значительно увеличивает действие последней на магнит или на другой проводник с током. Сам стержень при этом также намагничивается, образуя южный и северный полюсы. По правилу, установленному Ампером, северный полюс образуется на том конце стержня, который будет слева у наблюдателя, перемещающегося по направлению тока и обращенного лицом к магнитному стержню. Следуя этому правилу, можно определить, что у стержня на рис. 6.8 южный полюс будет находится слева, а северный – справа.

Экспериментируя с различными материалами, Ампер установил, что мягкое железо теряет весь магнетизм сразу после прекращения тока, а сталь, наоборот, сохраняет магнитные свойства долгое время после прекращения тока. Еще лучший

эффект достигается с использованием электромагнитов – железных стержней, окруженных проволочной спиральной обмоткой, по которой пропускается электрический ток (рис. 6.9).

Пока продолжается циркуляция тока, им можно пользоваться как обыкновенным магнитом. При этом ток должен быть пропущен в направлении, указанном стрелками. Сила магнита возрастает с увеличением числа витков обмотки и величины протекающего по ней тока. На рис. 6.10 представлен один из образцов промышленных электромагнитов, представляющих собой два вертикальных железных цилиндрических сердечника, укрепленных на горизонтальном железном основании. Каждый из сердечников окружен тремя обмотками с отдельными выводами, благодаря которым можно применять последовательное, параллельное или смешанное соединение обмоток.

Рис. 6.10. Промышленный электромагнит

Явление электромагнетизма было совершенно новой областью, которой начали заниматься физики-исследователи. Наиболее выдающиеся открытия в этой области выпали на долю знаменитого английского физика Майкла Фарадея.

Майкл Фарадей (1791–1867) «Сын кузнеца, подмастерье переплетчика в своей ранней юности, – писал о Фарадее известный русский физик А.Г. Столетов, – Фарадей кончил жизнь членом всех ученых обществ, бесспорно признанным главой физиков своего времени. Никогда со времен Галилея свет не видел стольких поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы, и едва ли скоро увидит другого Фарадея».

В 1831 году на лекции в Королевском институте английский физик Майкл Фарадей объясняет открытое им явление электромагнитной индукции. Ученый ясно представляет практическую значимость своего открытия. На вопрос будущего премьер-министра Гладстона, присутствовавшего при объяснении, «Какая же в конце концов от всего этого польза?» Фарадей с достоинством ответил: «Сэр, не лишено возможности, что ещё при моей жизни из всего этого вы будете извлекать налоги». Через несколько дней после открытия электромагнитной индукции Фарадей набрасывает пером на бумаге и строит первый в мире электрогенератор. Очень интересно, что Фарадей изобрел униполярный генератор, то есть наиболее сложный по принципу действия из всех генераторов, известных сегодня. Еще интереснее, что точно такой же по принципу действия генератор Фарадей мог получить еще на 9 лет раньше. Стоило ему самому начать крутить вокруг магнита проволочку своего первого двигателя, а не ждать, пока она закрутится при пропускании тока, и он имел бы электрогенератор! Ведь сейчас каждому школьнику известно, что электродвигатель и электрогенератор обратимы! Но Фарадей не догадался покрутить проволочку вокруг магнитика…

Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимовлиянии сил природы, Фарадей безуспешно пытался каким-то образом показать, что раз уж с помощью электричества Ампер мог создавать магниты, точно так же с помощью магнитов можно создавать электричество. Логика его была проста: механическая работа легко переходит в тепло и, наоборот, тепло можно преобразовать в механическую работу (скажем, в паровозе). Если с помощью электричества получают магнетизм, то, по-видимому, возможно «получить электричество из обычного магнетизма». Такую же задачу поставил перед собой и Ампер в Париже, но он вскоре решил, что задача безнадежна.

Блестящее мастерство Фарадея-экспериментатора и его одержимость дали результат – через 11 лет после опытов Эрстеда. 17 октября 1831 года он, быстро вдвигая железный сердечник в катушку, убедился в том, что в какой-то момент в цепи катушки возникает ток. Будь прибор Фарадея не на виду у него или у его ассистента в тот самый момент, когда он вставлял сердечник, неизвестно, сколько времени ему пришлось бы биться над своей задачей.

Интересно, что до Фарадея абсолютно такие же опыты проводил Ампер. Чтобы избежать ошибок, связанных с сотрясением приборов, и Фарадей, и Ампер поместили измерительный прибор в отдельную комнату. Разница, казалось бы, была очень небольшой: Ампер сначала вдвигал сердечник, а потом следовал в соседнюю комнату посмотреть, не появился ли ток. Пока Ампер шел из комнаты в комнату, ток, который возникает лишь во время вдвигания железного сердечника в катушку, то есть во время изменения магнитного поля во времени, уже успокаивался, и Ампер, перейдя в соседнюю комнату, убеждался в том, что «никакого эффекта нет». Фарадей же работал с ассистентом. Можно снова и снова повторять: «И от этих случайных обстоятельств зависело великое открытие!».

Исследования Ампера доказали, что катушка, по которой шел ток от гальванической батареи, обладает свойствами магнита. И Фарадей понял, что задача «превратить в электричество магнетизм» уже решена. Он взял железное кольцо, обмотал его в двух местах медной проволокой, изолированной от кольца, одну обмотку включил в цепь с гальваническим источником, а другую соединил с гальванометром. В момент, когда он пускал ток по одной обмотке, магнитная стрелка гальванометра внезапно отклонялась. Значит, в соединенной с ним обмотке проходил в этот момент ток. Фарадею удалось даже впервые получить искру индукционного тока, сблизив концы проволоки разомкнутой обмотки.

В результате опытов Фарадей обнаружил, что когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в проводнике под действием электромагнитной индукции наводится электродвижущая сила (э.д.с.), вызывающая ток в цепи, в которую входит этот проводник. Он первым ввел представление о магнитных силовых линиях, совокупность которых составляет магнитное поле как физическую реальность. Наведенная э.д.с. меняется прямо пропорционально скорости движения, числу проводников, а также напряжённости магнитного поля. Иначе говоря, наведенная э.д.с. прямо пропорциональна скорости движения проводника и количеству силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени. Таким образом, опыты Фарадея показали, что электромагнитная индукция возникает как в неподвижном проводнике, находящемся в переменном магнитном поле, так и в проводнике, который перемещается в постоянном магнитном поле. Им было доказано, что наведение тока имеет место только при движении проводника поперек магнитных силовых линий. Отсюда вытекала возможность генерирования электрического тока при перемещении замкнутого проводника в поле магнита.

Правильно поняв открытое им явление, Фарадей поставил другой решающий опыт. Он поместил между полюсами сильного магнита медный диск, который можно было вращать от руки. При вращении диска в нем возникал электрический ток, шедший от центра к периферии. С помощью металлических проводников, скользящих по диску в центре и на окружности, ток отводился во внешнюю цепь. Так Фарадей осуществил «превращение магнетизма в электричество».

Дальнейшие исследования электромагнитной индукции привели к установлению закона о направлении индуктированного тока. Этот закон был сформулирован в 1832 г. русским академиком Э.Х. Ленцем. Он давал возможность предсказывать направление наведенного тока и, кроме того, позволил Ленцу установить важный для электротехники принцип – обратимость генераторного и двигательного режимов электрической машины.

Исследования М. Фарадея и работы Э. Ленца, сформулировавшего закон, по которому можно было определить направление электрического тока, возникающего в результате электромагнитной индукции, дали возможность создать первые электромагнитные генераторы и электродвигатели.

Перемещая вручную одиночный проводник или проволочную катушку в магнитном поле, больших токов получить нельзя. Более эффективным способом является намотка провода на большую катушку или изготовление катушки в виде барабана. Катушку затем насаживают на вал, располагаемый между полюсами магнита и вращаемый силой воды или пара. Так, в сущности, и устроен современный генератор электрического тока, который относится к механическим источникам электрического тока и активно используется человечеством в настоящее время.

Генераторы электрического тока на заводе, расположенном в маленьком городе Йолотан, в современном Туркменестане на реке Мургаб. На турбинах видны метки, указывающие на то, что они были произведены в Венгрии (из наследия Сергея Михайловича Прокудина-Горского, ок.1907–1915. Цифровое цветное изображение. Отдел эстампов и фотографий, библиотека Конгресса США).

Электромагнитная индукция — презентация онлайн

2. Актуализация знаний

1. Что называется магнитным полем ?
2. Магнитное поле создается…
1) неподвижными заряженными частицами;
2) движущимися заряженными частицами;
3) движущимися незаряженными частицами .
3. Какое явление наблюдают в опыте Эрстеда?
1) поворот магнитной стрелки вблизи проводника с током;
2) взаимодействие двух заряженных стрелок;
3) взаимодействие двух проводников с током.
4. Линии однородного магнитного поля…
1) искривлены, их густота меняется от точки к точке;
2) параллельны друг другу и расположены с одинаковой
густотой;
3) расположены хаотично.
5.Что называется магнитным потоком?
6. От чего зависит магнитный
поток, пронизывающий
площадь контура, помещённого
в магнитного поля?
7. Что можно сказать о магнитном
потоке, пронизывающем
площадь контура в случае 1, 2,
3?
1
8. Что можно сказать о магнитном
потоке, пронизывающем
площадь контура в случае 1, 2?
2
3
1
2
9. В каком случае магнитный поток
пронизывающий площадь
контура больше?
2
1

4. Ханс Кристиан Эрстед – датский ученый (14.VIII.1777–9.III.1851).

После опыта Х.Эрстеда, который показал в 1820 г., что
электрический ток порождает магнитное поле, стало
понятно насколько тесно связаны электрические и
магнитные явления. Поэтому все были уверены, что
должно быть и обратное явление: магнитное поле может
порождать электрический ток. Именно это явление
пытались найти во многих лабораториях мира.

5. Невидимое глазу , без которого немыслима современная жизнь —это чудо в физике называют

Невидимое глазу , без которого немыслима современная жизнь —
это чудо в физике называют
Как только мы приходим домой — мы начинаем включать
различные электроприборы— чайник , телевизор, магнитофон ,
компьютер и т.д.
Давайте хоть на мгновение представим , что мы не смогли бы
пользоваться всеми этими благами !!!
Нам сразу стала понятна важность и ценность электрического
тока , его получения. А ведь он мог быть роскошью, если бы не
было других источников тока, кроме химических!!!
электричество
магнетизм
Проблема:
магнетизм
электричество
Майкл
Фарадей
1791 — 1867
В 1821 г. великий английский учёный записал в своём
дневнике: “Превратить магнетизм в электричество” .
Через 10 лет эта задача была им решена.
А ещё он:
построил первый в мире электродвигатель,
построил первую в мире динамомашину,
установил основные законы электролиза …

8. Историческая справка

М.Фарадей
родился в в 1791 г. в бедной семье кузнеца, его мама была
горничной. С двенадцати лет он начинает работать сначала разносчиком
газет, затем подмастерьем в переплётной мастерской в книжной лавке,
поэтому смог
получил только начальные навыки чтения, письма и
арифметики.. Таким образом,
у Фарадея появляется возможность
самообразования, он начинает жадно читать книги по физике и химии,
посещает лекции известного учёного Г.Дэви
В 1813 г он получил приглашении в лабораторию Г.Дэви на должность
ассистента. У него не было достаточных математических знаний, в его
монументальной работе «Экспериментальные исследования электричества»
нет ни одного уравнения! Но это не мешает проводить эксперименты и делать
открытия.
В 1824 Фарадей был избран членом Королевского общества, а через год стал
директором лаборатории в Королевском институте. Никакие почести не
уменьшили природную скромность Фарадея. Он отказался от дворянского
звания, президентства в Королевском обществе, крупных гонораров и даже от
государственной пенсии. Следуя его воле, на его надгробии в
Вестминстерском аббатстве выбито лишь два слова — Майкл Фарадей.
Имя Майкла Фарадея и его открытия
заняли
достойное место среди
гениальных ученых человечества. Его имя вошло в историю физики и в честь
этого гениального ученного была названа единица измерения емкости.

9. Практическое задание Оборудование: миллиамперметр, катушка, магнит. Подключаем катушку – моток к зажимам миллиамперметра.

Подумаем, как создать с помощью магнита ток в
катушке?

10. Поздравляю вас!

Вы превратили
магнетизм в
электричество
Электромагнитная
индукция
это
явление
возникновения
в
замкнутом
проводнике
электрического
тока
при
изменении
магнитного
потока,
пронизывающего контур этого проводника( от
лат. inductio –возбуждение, наведение).
Индукционный электрический ток — это
ток,
возникающий
при
электромагнитной индукции.
явлении
Применение явления электромагнитной индукции
Однажды после лекции Фарадея в Королевском
обществе, где он демонстрировал свои опыты, к
нему подошел богатый коммерсант, оказывавший
обществу материальную поддержку, и надменным
голосом спросил:
— Всё, что вы нам здесь показывали, господин
Фарадей, действительно красиво. Но теперь
скажите мне, для чего годится эта магнитная
индукция!?
— А для чего годится только что родившийся
ребёнок? — ответил рассердившийся Фарадей. На
вопрос коммерсанта в последующие годы ответили
многие учёные и изобретатели

13. Основоположники электротехники

Майкл Фарадей
(1791 – 1867)
Эмилий Христианович Ленц
(1804 – 1865)
Джозеф Генри
(1797 – 1878)
Генераторы –
устройства для получения электрического тока.
В их разработке принимали участие ученые многих
стран. Среди них были и наши отечественные
ученые такие как Эмилий Христианович Ленц,
Борис Семенович Якоби

15. Вращение рамки в постоянном магнитном поле

Трансформаторы устройства для
преобразования
электрического тока
Вечный фонарь, Трясун,
Звезда Фарадея. Потрясите — и
он будет гореть
Микрофон. Мембрана под действием
воздуха колеблется, а вместе с ней и
звуковая катушка. А так как она
находится
в
магнитном
поле
постоянного магнита,
то в
ней
возникает
индукционный
ток.
Микрофон
преобразует
звуковые
колебаний воздуха в электрический
ток.
Металлоискатели
Манипулятор мышь
1. Питание индукционное!
2. Работает без батареек
3. Беспроводная технология
4. Невероятно маленький вес
Главное на уроке:
Электромагнитная индукция — это явление возникновения в
замкнутом проводнике электрического тока при изменении
магнитного потока, пронизывающего контур этого проводника( от
лат. inductio –возбуждение, наведение).
Индукционный электрический ток — это ток, возникающий при
явлении электромагнитной индукции.
Причина возникновения индукционного электрического тока
– изменение магнитного потока, пронизывающего контур
проводника.
Майкл Фарадей доказал окончательно, что
электричество и магнетизм неразрывно
связаны!!!

19. Закрепление

Задание №1
Упорядоченное движение заряженных частиц это-
А)
Б)
В)
Г)
электрический ток;
магнитный поток;
электромагнитная индукция;
магнитные линии.
Задание №2
Какое из перечисленных явлений называют электромагнитной
индукцией:
А) нагревание проводника электрическим током;
Б) возникновение электрического тока в замкнутом проводнике при
изменении магнитного потока через его контур;
В) возникновение электрического поля в пространстве, где находится
электрический заряд;
Г) возникновение магнитного поля вокруг проводника с током
Задание №3
Индукционный ток возникает:
А) при изменении длины проводника
Б) при изменении магнитного потока, пронизывающего контур этого
проводника
В) в замкнутом проводнике при изменении магнитного потока,
пронизывающего контур этого проводника
Задание № 4
Исследование явления электромагнитной индукции послужило
основой для создания…
А)
Б)
В)
Г)
генератора электрического тока
электродвигателя
теплового двигателя
реактивного двигателя
Объяснить способы
получения
индукционного тока

22. Спасибо за внимание!

Электромагитная индукция — презентация на Slide-Share.ru 🎓

1

Первый слайд презентации

Электромагитная индукция

Изображение слайда

2

Слайд 2: Актуализация знаний

1. Что называется магнитным полем ? 2. Магнитное поле создается… 1) неподвижными заряженными частицами; 2) движущимися заряженными частицами; 3) движущимися незаряженными частицами. 3. Какое явление наблюдают в опыте Эрстеда? 1) поворот магнитной стрелки вблизи проводника с током; 2) взаимодействие двух заряженных стрелок; 3) взаимодействие двух проводников с током. 4. Линии однородного магнитного поля… 1) искривлены, их густота меняется от точки к точке; 2) параллельны друг другу и расположены с одинаковой густотой; 3) расположены хаотично. 5.Что называется магнитным потоком?

Изображение слайда

3

Слайд 3

6. От чего зависит магнитный поток, пронизывающий площадь контура, помещённого в магнитного поля? 7. Что можно сказать о магнитном потоке, пронизывающем площадь контура в случае 1, 2, 3? 8. Что можно сказать о магнитном потоке, пронизывающем площадь контура в случае 1, 2? 9. В каком случае магнитный поток пронизывающий площадь контура больше? 1 2 3 2 1 2 1

Изображение слайда

4

Слайд 4: Ханс Кристиан Эрстед – датский ученый (14.VIII.1777–9.III.1851)

После опыта Х.Эрстеда, который показал в 1820 г., что электрический ток порождает магнитное поле, стало понятно насколько тесно связаны электрические и магнитные явления. Поэтому все были уверены, что должно быть и обратное явление: магнитное поле может порождать электрический ток. Именно это явление пытались найти во многих лабораториях мира.

Изображение слайда

5

Слайд 5: Невидимое глазу, без которого немыслима современная жизнь —это чудо в физике называют

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК НЕТ!!! ТОЛЬКО НЕ ЭТО!!! Как только мы приходим домой — мы начинаем включать различные электроприборы— чайник, телевизор, магнитофон, компьютер и т.д. Давайте хоть на мгновение представим, что мы не смогли бы пользоваться всеми этими благами !!! Нам сразу стала понятна важность и ценность электрического тока, его получения. А ведь он мог быть роскошью, если бы не было других источников тока, кроме химических!!!

Изображение слайда

6

Слайд 6

электричество магнетизм магнетизм электричество Проблема:

Изображение слайда

7

Слайд 7

построил первый в мире электродвигатель, построил первую в мире динамомашину, установил основные законы электролиза … 1791 — 1867 В 1821 г. великий английский учёный записал в своём дневнике: “Превратить магнетизм в электричество”. Через 10 лет эта задача была им решена. А ещё он: Майкл Фарадей

Изображение слайда

8

Слайд 8: Историческая справка

М.Фарадей родился в в 1791 г. в бедной семье кузнеца, его мама была горничной. С двенадцати лет он начинает работать сначала разносчиком газет, затем подмастерьем в переплётной мастерской в книжной лавке, поэтому смог получил только начальные навыки чтения, письма и арифметики.. Таким образом, у Фарадея появляется возможность самообразования, он начинает жадно читать книги по физике и химии, посещает лекции известного учёного Г.Дэви В 1813 г он получил приглашении в лабораторию Г.Дэви на должность ассистента. У него не было достаточных математических знаний, в его монументальной работе «Экспериментальные исследования электричества» нет ни одного уравнения! Но это не мешает проводить эксперименты и делать открытия. В 1824 Фарадей был избран членом Королевского общества, а через год стал директором лаборатории в Королевском институте. Никакие почести не уменьшили природную скромность Фарадея. Он отказался от дворянского звания, президентства в Королевском обществе, крупных гонораров и даже от государственной пенсии. Следуя его воле, на его надгробии в Вестминстерском аббатстве выбито лишь два слова — Майкл Фарадей. Имя Майкла Фарадея и его открытия заняли достойное место среди гениальных ученых человечества. Его имя вошло в историю физики и в честь этого гениального ученного была названа единица измерения емкости.

Изображение слайда

9

Слайд 9: Практическое задание Оборудование : миллиамперметр, катушка, магнит. Подключаем катушку – моток к зажимам миллиамперметра. Подумаем, как создать с помощью магнита ток в катушке?

Изображение слайда

10

Слайд 10: Поздравляю вас!

Вы превратили магнетизм в электричество

Изображение слайда

11

Слайд 11

Электромагнитная индукция — это явление возникновения в замкнутом проводнике электрического тока при изменении магнитного потока, пронизывающего контур этого проводника( от лат. inductio –возбуждение, наведение). Индукционный электрический ток — это ток, возникающий при явлении электромагнитной индукции.

Изображение слайда

12

Слайд 12

Применение явления электромагнитной индукции Однажды после лекции Фарадея в Королевском обществе, где он демонстрировал свои опыты, к нему подошел богатый коммерсант, оказывавший обществу материальную поддержку, и надменным голосом спросил: — Всё, что вы нам здесь показывали, господин Фарадей, действительно красиво. Но теперь скажите мне, для чего годится эта магнитная индукция!? — А для чего годится только что родившийся ребёнок? — ответил рассердившийся Фарадей. На вопрос коммерсанта в последующие годы ответили многие учёные и изобретатели

Изображение слайда

13

Слайд 13: Основоположники электротехники

Майкл Фарадей (1791 – 1867) ‏ Джозеф Генри (1797 – 1878) ‏ Эмилий Христианович Ленц (1804 – 1865) ‏

Изображение слайда

14

Слайд 14

Генераторы – устройства для получения электрического тока. В их разработке принимали участие ученые многих стран. Среди них были и наши отечественные ученые такие как Эмилий Христианович Ленц, Борис Семенович Якоби

Изображение слайда

15

Слайд 15: Вращение рамки в постоянном магнитном поле

Изображение слайда

16

Слайд 16

Трансформаторы — устройства для преобразования электрического тока Вечный фонарь, Трясун, Звезда Фарадея. Потрясите — и он будет гореть Микрофон. Мембрана под действием воздуха колеблется, а вместе с ней и звуковая катушка. А так как она находится в магнитном поле постоянного магнита, то в ней возникает индукционный ток. Микрофон преобразует звуковые колебаний воздуха в электрический ток.

Изображение слайда

17

Слайд 17

Металлоискатели Манипулятор мышь 1. Питание индукционное! 2. Работает без батареек 3. Беспроводная технология 4. Невероятно маленький вес

Изображение слайда

18

Слайд 18

Главное на уроке: Электромагнитная индукция — это явление возникновения в замкнутом проводнике электрического тока при изменении магнитного потока, пронизывающего контур этого проводника( от лат. inductio –возбуждение, наведение). Индукционный электрический ток — это ток, возникающий при явлении электромагнитной индукции. Причина возникновения индукционного электрического тока – изменение магнитного потока, пронизывающего контур проводника. Майкл Фарадей доказал окончательно, что электричество и магнетизм неразрывно связаны!!!

Изображение слайда

19

Слайд 19: Закрепление

Задание №1 Упорядоченное движение заряженных частиц это- А) электрический ток; Б) магнитный поток; В) электромагнитная индукция; Г) магнитные линии. Задание №2 Какое из перечисленных явлений называют электромагнитной индукцией : А) нагревание проводника электрическим током; Б) возникновение электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного потока через его контур; В) возникновение электрического поля в пространстве, где находится электрический заряд; Г) возникновение магнитного поля вокруг проводника с током Закрепление

Изображение слайда

20

Слайд 20

Задание №3 Индукционный ток возникает: А) при изменении длины проводника Б) при изменении магнитного потока, пронизывающего контур этого проводника В) в замкнутом проводнике при изменении магнитного потока, пронизывающего контур этого проводника Задание № 4 Исследование явления электромагнитной индукции послужило основой для создания… А) генератора электрического тока Б) электродвигателя В) теплового двигателя Г) реактивного двигателя

Изображение слайда

21

Слайд 21

Объяснить способы получения индукционного тока

Изображение слайда

22

Последний слайд презентации: Электромагитная индукция: Спасибо за внимание!

Изображение слайда

Философия науки и техники. Раздел III. Структура и динамика научного познания. Глава 9. Динамика научного познания

Подход к научному исследованию как к исторически развивающемуся процессу означает, что сама структура научного знания и процедуры его формирования должны рассматриваться как исторически изменяющиеся. Но тогда необходимо проследить, опираясь на уже введённые представления о структуре науки, как в ходе её эволюции возникают все новые связи и отношения между её компонентами, связи, которые меняют стратегию научного поиска. Представляется целесообразным выделить следующие основные ситуации, характеризующие процесс развития научных знаний: взаимодействие картины мира и опытных фактов, формирование первичных теоретических схем и законов, становление развитой теории (в классическом и современном вариантах). Взаимодействие научной картины мира и опыта Картина мира и опытные факты на этапе становления научной дисциплины Первая ситуация может реализовываться в двух вариантах. Во-первых, на этапе становления новой области научного знания (научной дисциплины) и, во-вторых, в теоретически развитых дисциплинах при эмпирическом обнаружении и исследовании принципиально новых явлений, которые не вписываются в уже имеющиеся теории. Рассмотрим вначале, как взаимодействует картина мира и эмпирические факты на этапе зарождения научной дисциплины, которая вначале проходит стадию накопления эмпирического материала об исследуемых объектах. В этих условиях эмпирическое исследование целенаправлено сложившимися идеалами науки и формирующейся специальной научной картиной мира (картиной исследуемой реальности). Последняя образует тот специфический слой теоретических представлений, который обеспечивает постановку задач эмпирического исследования, видение ситуаций наблюдения и эксперимента и интерпретацию их результатов. Специальные картины мира как особая форма теоретических знаний являются продуктом длительного исторического развития науки. Они возникли в качестве относительно самостоятельных фрагментов общенаучной картины мира на этапе формирования дисциплинарно организованной науки (конец XVIII — первая половина XIX века). Но на ранних стадиях развития, в эпоху становления естествознания, такой организации науки ещё не было. Это обстоятельство не всегда адекватно осмысливается в методологических исследованиях. В 1980-х годах, когда интенсивно обсуждался вопрос о статусе специальных картин мира, были высказаны три точки зрения: специальных картин мира вообще не существует и их не следует выделять в качестве особых форм теоретического знания; специальные картины мира являются ярко выраженными автономными образованиями; их автономия крайне относительна, поскольку они выступают фрагментами общенаучной картины мира. Однако, в истории науки могут найти подтверждения все три точки зрения, только они относятся к разным её стадиям: додисциплинарной науке XVII века, дисциплинарно организованной науке XIX — первой половины XX века, современной науке с её усиливающимися междисциплинарными связями. Эти стадии следует различать. Первой из наук, которая сформировала целостную картину мира, опирающуюся на результаты экспериментальных исследований, была физика. В своих зародышевых формах возникающая физическая картина мира содержала (особенно в предгалилеевский период) множество натурфилософских наслоений. Но даже в этой форме она целенаправляла процесс эмпирического исследования и накопление новых фактов. В качестве характерного примера такого взаимодействия картины мира и опыта в эпоху становления естествознания можно указать на эксперименты В. Гилберта, в которых исследовались особенности электричества и магнетизма. В. Гилберт был одним из первых учёных, который противопоставил мировоззренческим установкам средневековой науки новый идеал — экспериментальное изучение природы. Однако картина мира, которая целенаправляла эксперименты В. Гилберта, включала ряд представлений, заимствованных из господствовавшей в Средневековье аристотелевской натурфилософии. Хотя В. Гилберт и критиковал концепцию перипатетиков о четырёх элементах (земли, воды, воздуха и огня) как основе всех других тел, он использовал представления о металлах как сгущениях земли и об электризуемых телах как о сгущениях воды. На основе этих представлений Гилберт выдвинул ряд гипотез относительно электрических и магнитных явлений. Эти гипотезы не выходили за рамки натурфилософских построений, но они послужили импульсом к постановке экспериментов, обнаруживших реальные факты. Например, представления об «электрических телах» как воплощении «стихии воды» породили гипотезу о том, что все электрические явления — результат истечения «флюидов» из наэлектризованных тел. Отсюда Гилберт предположил, что электрические истечения должны задерживаться преградами из бумаги и ткани и что огонь должен уничтожать электрические действия, поскольку он испаряет истечение. Так возникла идея серии экспериментов, обнаруживших факты экранирования электрического поля некоторыми видами материальных тел и факты воздействия пламени на наэлектризованные тела (если использовать современную терминологию, то здесь было по существу обнаружено, что пламя обладает свойствами проводника). Аналогичным образом представления о магните как о сгущении Земли генерировали знаменитые эксперименты В. Гилберта с шаровым магнитом, посредством которых было доказано, что Земля является шаровым магнитом, и выяснены свойства земного магнетизма. Эксперимент с шаровым магнитом выглядит весьма изящным даже по меркам современных физических опытов. В его основе лежала аналогия между шаровым магнитом (террелой) и Землёй. Гилберт исследовал поведение миниатюрной магнитной стрелки, помещаемой в разных точках террелы, и затем полученные данные сравнил с известными из практики мореплавания фактами ориентации магнитной стрелки относительно Земли. Из сравнения этих данных Гилберт заключил, что Земля есть шаровой магнит. Исходная аналогия между террелой и Землёй была подсказана принятой Гилбертом картиной мира, в которой магнит как разновидность металлов рассматривался в качестве воплощения «природы земли». Гилберт даже в названии шарового магнита (террела — земля) подчёркивает общность материи земли и магнита и естественность аналогии между земным шаром и шаровым магнитом. Целенаправляя наблюдения и эксперименты, картина мира всегда испытывает их обратное воздействие. Можно констатировать, что новые факты, полученные В. Гилбертом в процессе эмпирического исследования процессов электричества и магнетизма, генерировали ряд достаточно существенных изменений в первоначально принятой В. Гилбертом картине мира. По аналогии с представлениями о земле как «большом магните», В. Гилберт включает в картину мира представления о планетах как о магнитных телах. Он высказывает смелую гипотезу о том, что планеты удерживают на их орбитах силы магнитного притяжения. Такая трактовка, навеянная экспериментами с магнитами, радикально меняла представление о природе сил. В это время силу рассматривали как результат соприкосновения тел (сила давления одного груза на другой, сила удара). Новая трактовка силы была преддверьем будущих представлений механической картины мира, в которой передача сил на расстоянии рассматривалась как источник изменений в состоянии движения тел. Полученные из наблюдения факты могут не только видоизменять сложившуюся картину мира, но и привести к противоречиям в ней и потребовать её перестройки. Лишь пройдя длительный этап развития, картина мира очищается от натурфилософских наслоений и превращается в специальную картину мира, конструкты которой (в отличие от натурфилософских схем) вводятся по признакам, имеющим опытное обоснование. В истории науки первой осуществила такую эволюцию физика. В конце XVI — первой половине XVII века она перестроила натурфилософскую схему мира, господствовавшую в физике Средневековья, и создала научную картину физической реальности — механическую картину мира. В её становлении решающую роль сыграли новые мировоззренческие идеи и новые идеалы познавательной деятельности, сложившиеся в культуре эпохи Возрождения и начала Нового времени. Осмысленные в философии, они предстали в форме принципов, которые обеспечили новое видение накопленных предшествующим познанием и практикой фактов об исследуемых в физике процессах и позволили создать новую систему представлений об этих процессах. Важнейшую роль в построении механической картины мира сыграли: принцип материального единства мира, исключающий схоластическое разделение на земной и небесный мир, принцип причинности и закономерности природных процессов, принципы экспериментального обоснования знания и установка на соединение экспериментального исследования природы с описанием её законов на языке математики. Обеспечив построение механической картины мира, эти принципы превратились в её философское обоснование. Научная картина мира как регулятор эмпирического поиска в развитой науке После возникновения механической картины мира процесс формирования специальных картин мира протекает уже в новых условиях. Специальные картины мира, возникавшие в других областях естествознания, испытывали воздействие физической картины мира как лидера естествознания и, в свою очередь, оказывали на физику активное обратное воздействие. В самой же физике построение каждой новой картины мира происходило не путём выдвижения натурфилософских схем с их последующей адаптацией к опыту, а путём преобразования уже сложившихся физических картин мира, конструкты которых активно использовались в последующем теоретическом синтезе (примером может служить перенос представлений об абсолютном пространстве и времени из механической в электродинамическую картину мира конца XIX столетия). Ситуация взаимодействия картины мира и эмпирического материала, характерная для ранних стадий формирования научной дисциплины, воспроизводится и на более поздних этапах научного познания. Даже тогда, когда наука сформировала слой конкретных теорий, эксперимент и наблюдение способны обнаружить объекты, не объясняемые в рамках существующих теоретических представлений. Тогда новые объекты изучаются эмпирическими средствами, и картина мира начинает регулировать процесс такого исследования, испытывая обратное воздействие его результатов. Описанные выше примеры с исследованием катодных лучей могут служить достаточно хорошей иллюстрацией взаимодействия картины мира и опыта применительно к процессу физического исследования. Аналогичные ситуации можно обнаружить и в других науках. Так, в современной астрономии, несмотря на довольно развитый слой теоретических моделей и законов, значительное место принадлежит исследованиям, в которых картина мира непосредственно регулирует процесс наблюдения и формирования эмпирических фактов. Астрономическое наблюдение весьма часто обнаруживает новый тип объектов или новые стороны взаимодействий, которые не могут быть сразу объяснены в рамках имеющихся теорий. Тогда картина реальности активно целенаправляет все последующие систематические наблюдения, в которых постепенно раскрываются особенности нового объекта. Характерным примером в этом отношении может служить открытие и изучение квазаров. После обнаружения первого квазара — радиоисточника 3С 48 — сразу же возник вопрос, к какому типу космических объектов он относится. В картине исследуемой реальности, сложившейся ко времени открытия квазаров, наиболее «подходящими» типами объектов для этой цели могли быть звезды либо очень удалённые галактики. Обе гипотезы целенаправленно проверялись в наблюдениях. Именно в процессе такой проверки были обнаружены первые свойства квазаров. Дальнейшее исследование этих объектов эмпирическими средствами также проходило при активной корректировке со стороны картины реальности. В частности, можно установить её целенаправляющую роль в одном из ключевых моментов этого исследования, а именно — открытии большого красного смещения в спектрах квазаров. В истоках этого открытия лежала догадка М. Шмидта, который отождествил эмиссионные линии в спектре квазаров с обычной бальмеровской серией водорода, допустив большое красное смещение (равное 0,158). Внешне эта догадка выглядит сугубо случайной, поскольку к этому времени считалось повсеместно, что квазары являются звездами нашей Галактики, а звезды Галактики не должны иметь такое смещение. Поэтому, чтобы возникла сама идея указанного отождествления линий, нужно было уже заранее выдвинуть экстравагантную гипотезу. Однако эта гипотеза перестаёт быть столь экстравагантной, если принять во внимание, что общие представления о структуре и эволюции Вселенной, сложившиеся к этому периоду в астрономии, включали представления о происходящих в галактиках грандиозных взрывах, которые сопровождаются выбросами вещества с большими скоростями, и о расширении нашей Вселенной. Любое из этих представлений могло генерировать исходную гипотезу о возможности большого красного смещения в спектре квазаров. С этих позиций за случайными элементами в рассматриваемом открытии уже прослеживается его внутренняя логика. Здесь выявляется важная сторона регулятивной функции, которую выполняла картина мира по отношению к процессу наблюдения. Эта картина помогала не только сформулировать первичные гипотезы, которые целенаправляли наблюдения, но и помогала найти правильную интерпретацию соответствующих данных, обеспечивая переход от данных наблюдения к фактам науки. Таким образом, первичная ситуация, характеризующая взаимодействие картины мира с наблюдениями и экспериментами, не отмирает с возникновением в науке конкретных теорий, а сохраняет свои основные характеристики как особый случай развития знания в условиях, когда исследование эмпирически обнаруживает новые объекты, для которых ещё не создано адекватной теории. Формирование частных теоретических схем и законов Обратимся теперь к анализу второй ситуации развития теоретических знаний, которая связана с формированием частных теоретических схем и частных теоретических законов. На этом этапе объяснение и предсказание эмпирических фактов осуществляется уже не непосредственно на основе картины мира, а через применение создаваемых теоретических схем и связанных с ними выражений теоретических законов, которые служат опосредующим звеном между картиной мира и опытом. В развитой науке теоретические схемы создаются вначале как гипотетические модели, а затем обосновываются опытом. Их построение осуществляется за счёт использования абстрактных объектов, ранее сформированных в сфере теоретического знания и применяемых в качестве строительного материала при создании новой модели. Выдвижение гипотез и их предпосылки Только на ранних стадиях научного исследования, когда осуществляется переход от преимущественно эмпирического изучения объектов к их теоретическому освоению, конструкты теоретических моделей создаются путём непосредственной схематизации опыта. Но затем они используются в функции средства для построения новых теоретических моделей, и этот способ начинает доминировать в науке. Прежний же метод сохраняется только в рудиментарной форме, а его сфера действия оказывается резко суженной. Он используется главным образом в тех ситуациях, когда наука сталкивается с объектами, для теоретического освоения которых ещё не выработано достаточных средств. Тогда объекты начинают изучаться экспериментальным путём и на этой основе постепенно формируются необходимые идеализации как средства для построения первых теоретических моделей в новой области исследования. Примерами таких ситуаций могут служить ранние стадии становления теории электричества, когда физика формировала исходные понятия — «проводник», «изолятор», «электрический заряд» и так далее и тем самым создавала условия для построения первых теоретических схем, объясняющих электрические явления. Большинство теоретических схем науки конструируются не за счёт схематизации опыта, а методом трансляции абстрактных объектов, которые заимствуются из ранее сложившихся областей знания и соединяются с новой «сеткой связей». Следы такого рода операций легко обнаружить, анализируя теоретические модели классической физики. Например, объекты фарадеевской модели электромагнитной индукции «силовые линии» и «проводящее вещество» были абстрагированы не прямо из опытов по обнаружению явления электромагнитной индукции, а заимствовались из области знаний магнитостатики («силовая линия») и знаний о токе проводимости («проводящее вещество»). Аналогичным образом при создании планетарной модели атома представления о центре потенциальных отталкивающих сил внутри атома (ядро) и электронах были почерпнуты из теоретических знаний механики и электродинамики. В этой связи возникает вопрос об исходных предпосылках, которые ориентируют исследователя в выборе и синтезе основных компонентов создаваемой гипотезы. Хотя такой выбор и представляет собой творческий акт, он имеет определённые основания. Такие основания создаёт принятая исследователем картина мира. Вводимые в ней представления о структуре природных взаимодействий позволяют обнаружить общие черты у различных предметных областей, изучаемых наукой. Тем самым картина мира «подсказывает», откуда можно заимствовать абстрактные объекты и структуру, соединение которых приводит к построению гипотетической модели новой области взаимодействий. Целенаправляющая функция картины мира при выдвижении гипотез может быть прослежена на примере становления планетарной модели атома. Эту модель обычно связывают с именем Резерфорда и часто излагают историю её формирования таким образом, что она возникала как непосредственное обобщение опытов Резерфорда по рассеянию р-частиц на атомах. Однако действительная история науки далека от этой легенды. Резерфорд осуществил свои опыты в 1912 году, а планетарная модель атома впервые была выдвинута в качестве гипотезы физиком японского происхождения Нагаока значительно раньше, в 1904 году. Здесь отчётливо проявляется логика формирования гипотетических вариантов теоретической модели, которая создаётся «сверху» по отношению к опыту. Эскизно эта логика применительно к ситуации с планетарной моделью атома может быть представлена следующим образом. Первым импульсом к её построению, равно как и к выдвижению целого ряда других гипотетических моделей (например, модели Томсона), послужили изменения в физической картине мира, которые произошли благодаря открытию электронов и разработке Лоренцом теории электронов. В электродинамическую картину мира был введен, наряду с эфиром и атомами вещества, новый элемент «атомы электричества». В свою очередь, это поставило вопрос об их соотношении с атомами вещества. Обсуждение этого вопроса привело к постановке проблемы: не входят ли электроны в состав атома. Конечно, сама формулировка такого вопроса была смелым шагом, поскольку она приводила к новым изменениям в картине мира (нужно было признать сложное строение атомов вещества). Поэтому конкретизация проблемы соотношения атомов и электронов была связана с выходом в сферу философского анализа, что всегда происходит при радикальных сдвигах в картине мира (например, Дж. Дж. Томсон, который был одним их инициаторов постановки вопроса о связи электронов и атомов вещества, искал опору в идеях атомистики Босковича, чтобы доказать необходимость сведения в картине мира «атомов вещества» к «атомам электричества»). Последующее развитие физики подкрепило эту идею новыми экспериментальными и теоретическими открытиями. После открытия р

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 лаборантом 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 являются 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 четким указанием того, что магнитная сила и свет связаны 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 у Уитстона случился 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 . Выступление Фарадея было опубликовано 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 не результатом вибраций эфира, а вибрацией 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 , и 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, которые строятся на уже достигнутых 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)

Преподавание и изучение магнитного поля и явлений электромагнитной индукции, интегрированное образование в области науки, технологий, инженерии и математики (STEM) во вьетнамских средних школах

Международное ежегодное собрание по STEM-образованию (I AM STEM) 2018

IOP Conf.Серия: Физический журнал: конф. Series 1340 (2019) 012031

IOP Publishing

doi: 10.1088 / 1742-6596 / 1340/1/012031

2

Проектное обучение, обучение через игры и особенно обучение через практику полностью применяются

Интегрированные предметы STEM. Студенты, которые следуют подходу STEM, обладают выдающимися

преимуществами, такими как: твердые знания в области науки, техники, инженерии и математики; креативность,

логическое мышление, отличная успеваемость в учебе и работе.Кроме того, у них есть возможность

более всесторонне развивать мягкие навыки, не чувствуя себя перегруженными [1-7]. Для старшеклассников

, проходящие курсы STEM, также положительно влияют на выбор будущей карьеры. При комплексном изучении разнообразных знаний

студенты будут активно получать удовольствие от обучения, а не бояться

или избегать определенной области. Это, таким образом, побудит их лучше ориентироваться при выборе специальностей для получения высшего образования и уверенности в будущей карьере.

На сегодняшний день во Вьетнаме образование STEM не только изучается и развивается в университетах, но и

уже продвинулось в средних школах [9]. Исследования в области STEM-образования проводились на физическом факультете

Педагогического университета Тай Нгуен. Прежде всего, STEM-образование разработано

для обучения студентов тому, как применять STEM-обучение в средних школах [7]. Уроки физики будут интересными,

увлекательными и помогут ученикам лучше понять, если обучение будет связано с визуализацией и активным обучением

.Навыки и знания в области науки, технологий, инженерии и математики (называемые навыками

STEM) должны быть интегрированы, дополнены друг другом, чтобы помочь учащимся не только понять принципы

, но и уметь применять их на практике и создавать продукты в повседневной жизни. По сравнению с

с естественными науками, физика является предметом, который тесно связан с математическим, технологическим,

техническим и научным содержанием, поэтому образование, ориентированное на STEM в преподавании физики, имеет очень благоприятные условия

.STEM-образование направлено на развитие следующих конкретных способностей по каждому предмету для

студентов:

i. Критическое мышление и навыки решения проблем

ii. Навыки общения и сотрудничества

iii. Творчество и навыки открытия

iv. Культура, информационные и коммуникационные технологии

v. Способность выполнять проектные задачи

vi. Вместимость презентаций

В этой работе мы разработали процесс обучения некоторым предметам, ориентированным на STEM, «Магнитное поле

» в 11 классе физики, чтобы повысить активность, тренировать навыки и развивать способности для

учеников

2.Методология

2.1. Процесс преподавания физики в рамках STEM-образования

STEM-образование использует практический и экспериментальный подходы; Таким образом, следуя методу STEM

, студенты смогут использовать материалы для создания продуктов, которые позволят им развивать

свои компетенции в области естественных наук, инженерии, технологий и математики для приобретения знаний.

Изучая теорию активного обучения и преподавание STEM, мы предложили процесс

преподавания физики, связанный с образованием STEM, который включает этапы, показанные на рисунке 1.

Этапы преподавания физики интегрированным STEM подробно описаны в следующих шагах:

Этап 1: Выберите темы STEM

Темы STEM в преподавании — это вопросы, связанные с проектированием и производством продуктов

, связанных со знаниями физики в средней школе. Темы STEM должны иметь тесную связь с реальностью,

решать практические задачи, служить повседневной жизни или развлекать учащихся.

Этап 2: Определение задач STEM

На основе тем STEM студентов просят определить задачи STEM, которые необходимо решить

Этап 3: Изучение документов и материалов STEM

После получения заданий STEM студенты изучают документы STEM, чтобы что они могут четко

определить идеи и методы получения результатов, а также узнать о содержании соответствующих знаний физики

из тем STEM.

Некоторые аспекты экспериментов Генри по электромагнитной индукции

1-я лекция Джозефа Генри

Джозеф С. Эймс

Президент

Университет Джона Хопкинса,

Минуты

1026-е собрание состоялось в зале Cosmos Club, в субботу вечером, 24 октября 1931 года, под председательством президента Кертиса.
Программа была поводом для первой лекции Джозефа Генри, посвященной памяти первого президента Вашингтонского философского общества.
Вечерняя лекция «Некоторые аспекты экспериментов Генри по электромагнитной индукции » была прочитана Джозефом С. Эймсом, президентом Университета Джона Хопкинса.

Текст лекции, переданный Лисоном Хеберлингом Адамсом, следующий:

Я считаю большой честью быть приглашенным прочитать первую из серии лекций перед Вашингтонским философским обществом, известным как Джозеф. Генри читает лекции, учрежденные в честь основателя и первого президента Общества.

Я думаю, что для меня, несомненно, уместно выбрать в качестве темы этой первой лекции ту, которая связана с жизнью Джозефа Генри, отчасти из-за ассоциации его имени с лекцией, но также потому, что этот год признан как столетняя годовщина открытия явления электромагнитной индукции, открытия, с которым всегда будет ассоциироваться имя Джозефа Генри.

Это открытие электромагнитной индукции ознаменовало начало современной эры электричества и, по сути, современной эры физики, и поэтому весьма уместно отметить празднование столетней годовщины открытия.В прошлом месяце такое торжество проводилось в Лондоне в Королевском институте в ознаменование роли Майкла Фарадея в открытии. Хотя Джозеф Генри ожидал этого, что касается как взаимной индукции, так и самоиндукции, Фарадей всегда будет считаться, собственно, я думаю, их настоящим первооткрывателем, потому что он был первым, кто опубликовал результаты своих исследований и указал во время его первого объявления о возможности их практического применения.Сам Джозеф Генри, хотя он глубоко сожалел о том, что отложил публикацию своих исследований, всегда отдавал должное Фарадею и скрупулезно относился к нему как к первооткрывателю. Газеты, журналы и научная периодика в течение последних двух месяцев неоднократно привлекали внимание к работе Фарадея и его величию экспериментатора и философа природы. Достаточно скудное внимание было уделено работе Джозефа Генри, одного писателя, заявившего, что он «вероятно, предвосхитил» Фарадея; И настоящая причина, по которой я выбрал тему для этого вечера, — это мое желание убедить всех вас, кто меня слушает, существенные факты великих открытий Генри.Конечно, всякий раз, когда американский физик слышит слова, индуцированные токи, первая мысль, которая должна приходить ему в голову, — «это открыл Джозеф Генри».

Для меня действительно будет излишним дать набросок жизни Генри или подробно сослаться на длинную серию его блестящих исследований в различных областях физики или на его большой вклад в научную жизнь этой страны. . Всем, кто интересуется этими вопросами, следует прочитать обращение профессора Уильяма Б.Тейлора, который был прочитан перед обществом пятьдесят три года назад в этом месяце и который был опубликован правительством в томе, посвященном жизни и научной деятельности Генри, и особенно прекрасной статье профессора Мэги в октябрьском номере Reviews of Современная физика .

Сегодня вечером я намерен ограничиться вопросом об индуцированных электрических токах и, даже более узко, первоначальными экспериментами Генри, обращая особое внимание на даты, когда были сделаны его открытия.Однако я должен начать с того, что в качестве фона моей статьи сделаю заявление о научных знаниях, имевшихся в то время, когда Генри начал свои эксперименты, а также описание среды, в которой Генри находился, чтобы вы могли более ясно понять стимул, который его и вдохновлял. трудности, в которых он трудился.

В 1819 году Эрстед сделал открытие, что электрический ток, протекающий по проводнику, действует на магнит, и за этим великим событием, конечно же, сразу же последовали исследования по всей Европе.В следующем году Швайггер разработал свой умножитель, состоящий из устройства, с помощью которого магнитная стрелка находилась под воздействием нескольких витков провода, и таким образом усовершенствовал довольно чувствительный прибор для обнаружения электрического тока. В том же 1820 году Араго и Дэви независимо друг от друга обнаружили, что стальная игла, помещенная в осевом направлении внутри спирали проволоки, намагничивается, когда через спираль пропускается электрический ток. В этом эксперименте Араго проволока была открыта и намотана свободной спиралью вокруг иглы, помещенной в эту трубку.В том же году Ампер начал свою блестящую серию исследований действия токов на магниты
и токов на токах, что привело к открытию явлений, которые составляют основу электродинамики. В этих экспериментах Ампер использовал одиночные витки неизолированного провода. В 1825 году Уильям Стерджен из Вулиджа, Англия, действительно разработал электромагнит, намотав непокрытый провод вокруг железного стержня, который был изолирован от проволоки, причем сам железный стержень был согнут в форме подковы, так что якорь можно было разместить поперек двух стержней. заканчивается.В этом электромагните Sturgeon использовалось восемнадцать витков, свободно скрученных. Это были важные факты, касающиеся отношений между электричеством и магнетизмом, известные научному миру в то время, когда Генри начал свои исследования.

В 1826 году Джозеф Генри был избран профессором математики и естественной философии в Академии Олбани. Это была одна из выдающихся средних школ штата Нью-Йорк, и проделанная там работа выгодно отличалась от той, которая была характерна для некоторых колледжей того времени.На момент назначения ему было двадцать семь лет, и его интересы уже были сосредоточены на изучении натурфилософии, его внимание было привлечено к этому предмету, когда ему было пятнадцать лет, когда он случайно прочитал книгу, которую он найден на столе мужчиной, который садился в гостиницу со своей матерью. Эта книга, Лекций по экспериментальной философии, астрономии и химии доктора Г. Грегори , произвела большое впечатление на ум мальчика, и записано, что владелец дал ее ему и хранил при себе на протяжении всей своей жизни. .Это пробудило в нем интеллектуальное любопытство и вдохновило его желание ответить на вопросы, касающиеся природы. Он сразу же приступил к работе, чтобы усовершенствовать себя для этой исследовательской жизни, и после нескольких лет обучения, преподавания и наставничества, в течение которых он представил несколько статей перед местным научным обществом, Институтом Олбани, он был единогласно выбран, чтобы заполнить положение, о котором я упоминал. Олбани в то время был маленьким городком практически на границе, удаленным от научных и учебных центров, но Академия Олбани была очень достойным учреждением.Он занимал большое здание в центре города, состоящее из классных комнат и одного большого зала в центре, используемого для общих целей. Конечно, не было ни лаборатории как таковой, ни какого-либо оборудования; следовательно, Генриху приходилось делать все своими руками, за исключением того, что он мог позвать на помощь кузнеца. Школы в те дни были довольно серьезными учреждениями, и Генри был полностью занят своими занятиями, пока школа работала, то есть почти десять месяцев в году.Сессии начались первого сентября, и все время, пока Генри был профессором в Академии, единственная возможность для экспериментальных исследований у него была во время летних каникул, и практически всего на один месяц, в последней половине июля и первой половине августа. . Когда начинались каникулы, Генри устанавливал свой аппарат в главном зале здания, и он мог работать с ним до тех пор, пока в августе не пришло время убирать здание и готовиться к занятиям, которые собирались, как я уже сказал, первое сентября.

Я должен попросить вас рассмотреть эту ситуацию и сопоставить ее с ситуацией европейских исследователей, особенно с Фарадеем. Это был человек, очевидно полный идей, очевидно желавший пополнить знания и проверить свои теории экспериментами; но у него не было аппарата, у него не было средств купить его, даже если бы он был в наличии, и в его распоряжении были только несколько недель в году, в течение которых он мог посвятить себя тому, что действительно было целью его жизни. Если принять во внимание эти обстоятельства, действительно удивительно, что Генрих смог продвинуться так далеко, как он.

Генри с нетерпением прочитал все, что было опубликовано в отношении связи между электричеством и магнетизмом, и как только он стал профессором Академии Олбани, он начал строить планы относительно продолжения экспериментальной работы, о которой он читал. Естественно, первое, что он планировал сделать, — это повторить работу других, чтобы убедиться в ее точности и поближе познакомиться с явлениями. Обдумывая эксперименты, проведенные другими, он полагал, что может увеличить чувствительность устройства и мог увеличить силы с помощью чрезвычайно простого устройства, которое, по-видимому, никому не приходило в голову.Он должен был использовать катушки изолированного провода вместо одиночных витков, и в октябре 1827 года он продемонстрировал в Институте Олбани различные эксперименты Ампера и других с использованием катушек, что значительно увеличило эффект. Для того, чтобы наложить один слой катушки на другой слой, образовав таким образом бобину, очевидно, что необходимо было изолировать сам провод, что он и сделал, обмотав провод «шелком», как он говорит. Я слышал от семьи, что «шелк», который Генри использовал при изготовлении некоторых из своих первых спиралей, на самом деле был серией шелковых лент, полученных его женой в результате принесения в жертву своей белой шелковой юбки.Электромагнит, сделанный Джозефом Генри и использованный в его экспериментах, все еще существует, он хранится в музее Принстонского университета, и все еще можно увидеть белые шелковые ленты, использованные при его создании, поэтому я считаю, что рассказ, который я слышал, правдив. .

Значение этого устройства Генри трудно переоценить. До этого времени никто, по-видимому, не думал об использовании изолированного провода, свернутого слоями, и сразу после того, как Генри описал свой аппарат, все исследователи Европы приняли эту идею.Фарадей в своем оригинальном аппарате, который использовал, когда он сделал свое открытие электромагнитной индукции, намотал неизолированный провод на изолированное железное кольцо, при этом отдельные катушки разделялись путем наматывания между ними длинной бечевки, при этом отдельные слои разделялись кусками неизолированного материала. токопроводящая ткань. Читая статьи Фарадея, нельзя сказать, была ли эта идея оригинальной для него или она была принята после просмотра опубликованной статьи Генри. Собственно говоря, ни в одной из работ Фарадея нет упоминания об экспериментальной работе Джозефа Генри.

Первое применение Генри этого нового принципа наматывания длинных проводов в несколько слоев было в конструкции небольшого электромагнита, который он продемонстрировал перед Академией Олбани в июне 1828 года; и, обнаружив, насколько это успешно, он сделал еще один, более мощный, в следующем году, который он выставил в марте 1829 года. Затем у него появилась новая идея относительно намотки магнитов, и во второй половине того же года он сделал один, в котором он имел две независимые обмотки по всей длине железного сердечника, так что он мог соединить эти две параллельно.Затем, чтобы сделать магнит, который можно было бы использовать во многих экспериментальных целях, в августе 1830 года он намотал один совершенно новым способом, в результате чего получился самый мощный магнит из существовавших на тот момент. Он намотал сердечник этого магнита девятью отдельными катушками, каждая из которых занимала пространство около двух дюймов. Клеммы каждой катушки выдвигались сбоку, так что он мог соединить девять катушек последовательно или параллельно. Это открывало ему множество экспериментальных возможностей.Он исследовал в связи с этим магнитом эффект использования ряда гальванических элементов, расположенных параллельно или последовательно, и он подчеркнул эффект наличия элементов, когда они последовательно соединены с катушками его магнита, также последовательно, и аналогичный эффект наличия либо одна ячейка, либо все ячейки в параллельном соединении с катушками его магнита, когда они были параллельны. Он изучил то, что мы сегодня назвали бы законом Ома, в том, что касается влияния внутреннего сопротивления батарей, а также провел множество других экспериментов, некоторые из которых я рассмотрю позже.Все это было в августе 1830 года. В ноябре того же года он увидел в Edinborough Journal Брюстера отчет о некоторой работе, проделанной голландским физиком Моллем в отношении электромагнитов, и подумал, что лучше всего написать отчет о своей работе. до того времени по той же теме. Это он сделал в ноябре и представил для публикации в Silliman’s Journal . Он был опубликован в январе 1831 года и стал первой научной публикацией Генри в признанном научном журнале.Для Генри в течение многих лет было характерно не публиковать свои результаты сразу после их получения, а скорее ждать, пока он не проверит и не изучит различные идеи, которые были у него в голове по какому-либо одному предмету, чтобы убедиться, что он исчерпал возможности этого конкретного направления мысли. Это качество его ума естественным образом привело к тому, что в том, что касается публикации, его часто ждали, и в некоторых случаях друзья уговаривали его написать краткие отчеты о том, что он сделал после публикации другими их работ.

Выше я ссылаюсь на эксперименты, которые Генри провел с его окончательной формой магнита, и их он не включил в свою статью в Silliman’s Journal , которая ограничивалась просто описанием его магнитов. Причина, по которой он не опубликовал некоторые из этих экспериментов, проведенных в августе 1830 г., заключалась в том, что он намеревался продолжить их и в течение августа 1831 г. он был очень занят подготовкой нового устройства, одной из частей которого была большая катушка, содержащая милю провод и еще один был гораздо более мощным электромагнитом.В письме от 6 ноября 1831 г. он сообщает, что создавал этот аппарат «для некоторых предполагаемых экспериментов по тождеству электричества и магнетизма». В другом письме он говорит, что ему пришлось прекратить работу над этим новым аппаратом, потому что комната, в которой он работал, была нужна для классов Академии. Таким образом, ясно, что в августе 1831 года он был занят созданием аппарата с идеей продолжения некоторых работ, начатых им в августе 1830 года и которые, по его мнению, не были достаточно продвинутыми, чтобы оправдать публикацию. .

Сразу после открытия того факта, что электрический ток через катушку с проволокой намагничивает кусок железа и что катушка с проволокой, по которой проходит электрический ток, обладает магнитными свойствами, многие исследователи сочли, что должен быть какой-то способ что электрический ток может быть произведен с помощью магнита, и были опробованы различные эксперименты. Среди прочего, Майкл Фарадей из Королевского института в Лондоне несколько лет занимался этой проблемой и 29 августа 1831 года начал серию экспериментов, которые, наконец, решили проблему.Он сообщил об основных особенностях своих экспериментов Королевскому институту, а также Королевскому обществу, и предварительные отчеты были опубликованы весной 1832 года. Генри увидел их, вероятно, в июне того же года и счел за лучшее сразу же опубликовать свои предварительные исследования. на ту же тему, так что первый опубликованный отчет о его работе появился в июле 1832 года под номером Silliman’s Journal . В этом отчете он описывает эксперименты по созданию электрических токов путем изменения магнитного поля через катушку с проволокой, а также наблюдение, которое он сделал несколько лет назад, относительно искры, которая возникает при разрыве электрической цепи.Далее он отметил, что эти два явления, очевидно, были вызваны одной и той же фундаментальной причиной. Позже я опишу детали этих экспериментов, а сейчас хочу обратить внимание на вероятные даты, когда они проводились. В свете того, что я сказал выше, я не думаю, что может быть какое-либо сомнение в том, что его наблюдения за индуцированными электрическими токами, вызванными изменяющимся магнитным полем, были выполнены в августе 1830 года, когда он работал со своим новым магнитом. Фактически, он прямо говорит, что наблюдения проводились с помощью этого магнита.Когда он наблюдал за искрой, возникающей при размыкании цепи, и изучал влияние на эту искру различных форм цепи, сказать невозможно. Это, безусловно, было раннее наблюдение, и дата была назначена дочерью Джозефа Генри, мисс Мэри Генри, как в 1829 году. Это чрезвычайно вероятно, и это утверждение, я думаю, подтверждается различными соображениями. Мисс Генри говорит, что она часто говорила со своим отцом о ранней истории электромагнитной индукции и что он всегда говорил так, как будто он открыл индуцированные токи в 1830 году и сделал свои первые наблюдения самоиндукции в 1829 году.Я думаю, очень разумно полагать, что именно его наблюдение электрической искры при размыкании цепи и некоторых других явлений, о которых я расскажу позже, которые были сделаны в августе 1829 года, привело его к проведению экспериментов, завершившихся открытие индуцированных токов в августе 1830 г., после того, как он закончил работу над своим новым магнитом. В любом случае, в августе 1830 года он видел впереди так много дел, требующих создания нового аппарата, что счел за лучшее не публиковать свои предварительные исследования, так что август 1831 года застал его занятым созданием аппарата, который он считал необходимым иметь. доступен для продолжения расследования.С другой стороны, он был остановлен в своей работе перед началом школьной сессии, и, вероятно, он не опубликовал бы полный отчет о своих исследованиях до августа 1832 года, если бы не тот факт, что он увидел, что Фарадей уже сделал некоторые из открытий, с которыми он был знаком в результате его собственных исследований.

После того, как Генри увидел краткие заметки о работе Фарадея, он занялся проблемой заново, повторив некоторые работы Фарадея и расширив свою собственную, хотя последняя была очень полной и убедительной.

Изготовив свой мощный электромагнит, который я описал выше (в начале лета 1830 г.), он намотал катушку провода вокруг якоря магнита и подвел выводы проводов к прибору для измерения тока. Он заметил, что, когда он включал ток намагничивания, игла гальваноскопа сразу бросалась в глаза, а когда он прерывал ток намагничивания, происходило движение в противоположном направлении. Далее он заметил, что, когда он отключил ток намагничивания и отсоединил якорь, также произошло движение иглы гальваноскопа, величина которого варьировалась в зависимости от расстояния, на которое он перемещал якорь.Наконец, он заметил, что, когда якорь был на месте на магните, и он менял ток намагничивания, также происходил бросок. Поэтому он счел правомерным сделать вывод о том, что в спирали медной проволоки, окружающей кусок железа, в одном или другом направлении присутствует мгновенный ток, который сопровождает каждое изменение магнитной напряженности железа. Никакое утверждение относительно образования индуцированных электрических токов не может быть более ясным, чем это.

Его наблюдение некоторых явлений самоиндукции, вероятно сделанное в 1829 году, было не менее важным.Заметив этот факт появления искры, которая могла быть и, вероятно, была случайным наблюдением из-за некоторого разрыва в электрической цепи, он изучил эффект от того, что цепь состоит из короткого или длинного провода, а также эффект свертывания проводника в спираль или спираль, отмечая усиление эффекта, когда последнее было сделано.

Мы видели, что летом 1831 года Генри был занят созданием нового магнита и нового аппарата для экспериментальных целей. В 1832 году он был избран профессором естественной философии в колледже Нью-Джерси, ныне Принстон, и переехал туда со своей семьей в ноябре того же года.Первые несколько лет своего пребывания на должности он был занят непосредственными обязанностями своего председателя, и у него не было возможности продолжить учебу до 1834 года. В ноябре того же года Фарадей опубликовал отчет о своем открытии феномена самоиндукции и теории Генри. друзья убедили его, что это его долг — сразу же опубликовать отчет о том, что он делал по той же теме до того времени. Он так и сделал. Он сделал устный отчет о своей работе перед Американским философским обществом в Филадельфии на его собрании 16 января 1835 года и написал более полный отчет, который был опубликован в журнале Silliman’s Journal .Он расширил наблюдения, о которых я упоминал выше, исследуя не только искру, возникающую при размыкании цепи, но также токи и удар, которые сопровождали разрыв. Он также изучал эффект введения железа в спираль и действительно добился больших успехов. С этого времени Генри работал довольно непрерывно и, очевидно, усвоив урок в отношении публикации, сообщил о своих результатах, как только убедился в их достоверности. Он был избран членом Американского философского общества в 1834 году, и после этого он сообщил свои результаты этому обществу, и они были опубликованы в его Transactions or Proceedings .

В течение нескольких лет он продолжал изучение явлений самоиндукции и других эффектов электромагнитной индукции; Фактически, до его избрания секретарем Смитсоновского института в декабре 1846 года существовала постоянная серия публикаций на эту тему.

В одной серии экспериментов он исследовал влияние разряда лейденской банки через его первичную катушку на производство индуцировал токи в соседних проводниках и в конечном итоге привело к доказательству того, что такой разряд является колебательным.(Убеждение, что это был характер разряда, было высказано ранее в 1827 году Савараем, но этот факт не был известен Генри.) Он также смог доказать, что это индуктивное действие, вызванное разрядами через первичный проводник, ощущалось на значительные расстояния, конечно, до двухсот футов. Это первый эксперимент по регистрации электромагнитных волн (1842 г.).

Одно из его самых важных исследований касалось эффекта введения листов проводников между его первичной и вторичной обмотками (в 1838 г.).Один из главных интересов этого исследования заключается в том, что наблюдения Генри совершенно противоречили тем, о которых сообщил Фарадей. Генри показал, что введение медной пластины полностью отключило индуктивное действие, тогда как Фарадей обнаружил, что экранирующего эффекта не было. Объяснение несоответствия, которое смог сделать сам Генри, заключается в том, что наблюдения Генри касались того, что мы сегодня называем электродвижущей силой, тогда как Фарадей в своих исследованиях касался величины индуцированного тока.Этот факт подчеркивает различие экспериментального оборудования двух исследователей. У Генри практически не было измерительной аппаратуры, и ему приходилось довольствоваться такими наблюдениями, как искры и удары, полученные при прохождении разрядов через его тело; У Фарадея же была хорошо оборудованная лаборатория. Чрезвычайно интересно читать статьи двух великих физиков, чтобы увидеть, как они выражают себя, не пользуясь знаниями, которые пришли, когда был известен закон Ома.Я думаю, что о двух мужчинах Генри, возможно, имел более четкое представление о существенных характеристиках индуцированных токов, но я не мог дать убедительных доказательств этого. Оба мужчины знали о том, что было одно качество тока, которое зависело от скорости изменения магнитного поля; именно оно определяет удар в мышцах и расстояние, на котором возникнет искра в разорванной цепи. , и что существует еще одно свойство тока, зависящее от полного изменения поля, которое определяет движение стрелки гальванометра.Первый не зависел от материала проводника, а второй менялся вместе с ним. Однако только в работах Ленца и Неймана все трудности были устранены и все явления были выражены в одном простом уравнении.

Один интересный эксперимент Генри в этой связи состоял в том, чтобы показать, что, хотя были различия в ударе, производимом во вторичной катушке, когда ток был включен или прерван в первичной, не было никакой разницы в движении стрелки гальванометра. .Это наблюдение привело его к очень тщательному изучению явлений, связанных с включением и отключением цепи.

Расхождения между наблюдениями Генри и Фарадея, зависящие от того факта, что первый наблюдал, как правило, электродвижущую силу, в то время как последний измерял величину тока, очень напоминает расхождения, которые существовали в ранней истории. механики, несоответствия, которые были устранены только математической работой Даламбера.Механика возникла, как всем вам известно, из работ Галилея, Ньютона и Гюйгенса, а в столетие, последовавшее за их первыми публикациями, возникла полемика относительно надлежащей меры тех факторов в природе, которые вызывают изменения в скорости движения. тело. Одна школа писателей настаивала на том, что надлежащую меру воздействия таких агентов следует искать в разнице квадратов скоростей тела в начале и в конце действия. Другая школа столь же сильно настаивала на том, что эффект должен измеряться разницей в скорости.Если бы этот спор был изложен на современном языке, он был бы примерно следующим: следует ли измерять эффект по изменению кинетической энергии или по изменению количества движения? Именно Даламбер первым показал, что ни один из них не является подходящей мерой, потому что изменение кинетической энергии равно произведению силы на расстояние, на которое тело движется под действием силы, в то время как изменение количества движения равно произведению силы на время, в течение которого тело находится под действием силы.Или, если хотите, можно сказать, что обе школы были правы и что они смотрели на две стороны щита, как в древней сказке. Нечто подобное можно сказать и о работах Генри и Фарадея. Их исследовательская работа была абсолютно достоверной, но их интерпретация не могла быть полностью удовлетворительной, пока работа Ома не была оценена по достоинству и пока математики не завершили свое исследование.

Я могу немного добавить к тому, что хорошо известно о качествах Генри как следователя и администратора.Читая различные статьи, вошедшие в мемориальный сборник, посвященный его жизни, поражается всеобщее восхищение его широкой философией, его точностью наблюдений, его блестящей интуицией и его преданностью делу науки в ее самом широком толковании. Он был в значительной степени бескорыстным. Его нисколько не интересовало личное продвижение или выдвижение заявлений об открытиях или изобретениях. Его единственной целью в жизни было толкование природы и распространение знаний среди людей.Вне всякого сомнения, он является выдающейся фигурой в истории научной жизни Америки.

Электромагнитная индукция | Примеры и поле — Видео и стенограмма урока

Как возникает электромагнитная индукция?

Эксперимент 1

В этом эксперименте катушка подключена к гальванометру. Когда северный полюс стержневого магнита приближается к катушке, гальванометр отклоняется. Это указывает на наличие электрического тока в катушке.Если магнит движется, отклонение продолжается.

Реверс электрического тока происходит, когда магнит опускается, поскольку отклонение гальванометра происходит в противоположном направлении.

Аналогично, когда южный полюс перемещается к катушке, отклонения происходят в противоположном направлении.

Этот эксперимент показывает, как возникает электромагнитная индукция, т.е. что электрический ток индуцируется из-за относительного движения между катушкой и магнитом.

Направление движения изменяется, когда стержневой магнит подталкивается к катушке.

Эксперимент 2

Во втором эксперименте Фарадей взял другую катушку вместо стержневого магнита. Электрический ток индуцируется там, когда ток проходит через первичную катушку и перемещается во вторичную катушку. Точно так же, если первая катушка перемещается в противоположном направлении, отклонение гальванометра будет в противоположном направлении.

Этот эксперимент показывает, как электрический ток индуцируется из-за относительного движения между двумя катушками.

Эксперимент 3

В этом эксперименте две электронные катушки повторно взяты; один подключается к гальванометру, а другой подключается к батарее через ключ. При нажатии на резку гальванометр показывает временное отклонение. Если быстро нажимать кнопку, отклонения нет. Когда ключ отпускается, происходит отклонение в обратном направлении.

Этот эксперимент показывает, что относительное движение не обязательно для индукции электрического тока.

Ток индуцируется во вторичной обмотке из-за тока в первичной обмотке с помощью ответвительного ключа.

Что такое магнитный поток?

Эксперименты Фарадея помогли вывести простую математическую формулу для магнитного потока. Магнитный поток можно определить как полное магнитное поле, проходящее через данную область.

Φ = BA cosθ

Если мы выберем простую плоскую поверхность с площадью A в качестве тестовой области, тогда:

θ — угол

Величина B — вектор магнитного поля

Магнитный поток

Закон Фарадея

Закон индукции Фарадея гласит, что величина индуцированной электромагнитной силы (ЭДС) в цепи равна скорости изменения магнитного потока в цепи во времени.Соотношение:

ЭДС = — ΔΦ / Δt

Где Φ —BA — магнитный поток

B — внешнее магнитное поле

A — площадь катушки

T — время

(-) — знак минус указывает направление тока в замкнутом контуре.

Когда эта тесно намотанная катушка поворачивает N витков, изменение магнитного потока с каждым витком также одинаково.

ЭДС = — NΔΦ / Δt

Где N — Число витков

Закон Ленца

Согласно закону Ленца, индуцированная электродвижущая сила создает ток в контуре, который противодействует изменению магнитного потока, которое его вызывает.Закон Ленца основан на принципе сохранения энергии.

ЭДС = -NΔΦ / Δt

Направление индуцированного тока противоположно вызывающему его изменению.

Примеры и приложения электромагнитной индукции

В современном обществе закон индукции Фарадея находит несколько применений.

• Одним из примеров является хранение данных, которое осуществляется путем записи с помощью магнитных полей.В некоторых компьютерах данные жестких дисков записываются на вращающийся диск с покрытием.
• Таблички, которые используют многие художники-графики, используют тот же принцип. Перо на батарейках используется на экране, который соединен несколькими проводами. Магнетизм, исходящий от наконечника, вызывает на экране ЭДС, которая преобразуется в графические изображения, которые рисует художник.
• Гибридные или электромобили также работают по принципу электромагнитной индукции. Он также находит применение в лечении пациентов с психическими расстройствами, такими как галлюцинации и депрессия, с помощью транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС).Здесь магнитная стимуляция применяется к определенным участкам мозга пациента, чтобы принести облегчение.
• Электромагнитная индукция также используется для генерации и передачи энергии.

Электрический генератор

Электрический генератор меняет положительную полярность на отрицательную, чтобы произвести электрический ток.

Электрогенератор

Электрический генератор состоит из катушки, расположенной под прямым углом к ​​магнитному полю.

Эта катушка механически вращается с помощью внешних средств. Контактные кольца соединяют концы катушки.

Электричество вырабатывается катушками, вращающимися в магнитном поле, создаваемом магнитами.

• В первой половине оборота, когда катушка разрезает около северного полюса магнита, образовавшиеся электроны перемещаются вверх по проводу, заряжая нижнее контактное кольцо положительно.
• Опять же, когда катушка разрезает около южного полюса, контактное кольцо получает отрицательный заряд, потому что электроны движутся по проводу.

В промышленных генераторах вращение якоря может производиться гидроэлектрическими генераторами, тепловыми генераторами или ядерными генераторами энергии, которые заставляют катушку вращаться быстрее, чтобы быстрее производить электричество.

Трансформатор

Электрический трансформатор работает по принципу, согласно которому переменный ток создает переменный поток.

Трансформатор — это статическая машина, состоящая из первичной и вторичной обмоток, соединенных металлическим сердечником, который токи могут намагничивать.Эти катушки ведут себя как индукторы.

Трансформатор

Первичная катушка подключена к источнику питания, который вырабатывает электрические токи, которые индуцируют магнитный поток в сердечнике. Поскольку провода вторичной катушки прорезают магнитное поле катушки, оно создает напряжение, которое, в свою очередь, создает электрический ток во вторичной катушке.

Формула для его расчета:

(Напряжение на первичной катушке) / (Число витков первичной обмотки) = (Напряжение на вторичной обмотке) / (Число витков вторичной обмотки)

Поток прямо пропорционален току.Следовательно, с большим количеством катушек напряжение будет увеличиваться, чтобы произвести больший ток.

Индукционная варочная панель

Индукционная варочная панель имеет плиту с медным проводом, через который проходит переменный ток, который помогает готовить пищу. Под стеклянной поверхностью установлены электромагниты, используется ферромагнитная посуда. Когда через провод проходит ток, магнитное поле начинает колебаться, и в сосуде индуцируется электрический ток. В емкости возникает резистивный нагрев из-за больших вихревых токов.

Индукционная готовка лучше традиционных методов непрямого нагрева, таких как газовая плита, электрическая варка и конвекция, следующими способами:

• Более эффективно
• Меньше потерь тепла
• Нет загрязнения воздуха
• Простота использования и очистки
• Больше безопасности

Вихревые токи

При изменении магнитного потока в проводниках возникают индуцированные токи. Картина течения этих индуцированных токов напоминает вихри в воде; поэтому они называются вихревыми токами.

Вихревые токи

Вихревые токи могут быть нежелательными, поскольку возникают потери электроэнергии из-за ненужного нагрева металлического сердечника. Тепло выделяется, когда электроны теряют кинетическую энергию при столкновениях. В результате катушки могут быть повреждены, и даже металл может расплавиться из-за вихревых токов. Ламинирование изоляционными материалами, такими как лак, может помочь минимизировать потери из-за вихревых токов.

Краткое содержание урока

Из этого урока мы узнали следующее об электромагнитной индукции:

• При электромагнитной индукции в проводе возникает ток из-за изменения магнитного поля.
• Согласно закону Фарадея, величина наведенной ЭДС в катушке равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через катушку, во времени.
• Согласно закону Ленца, индуцированная электродвижущая сила создает ток в контуре, который противодействует изменению магнитного потока, которое его производит.
• Электрический генератор меняет положительную полярность на отрицательную, чтобы произвести электрический ток.
• Электрический трансформатор работает по принципу, согласно которому переменный ток создает переменный поток.
• При изменении магнитного потока в проводниках возникают индуцированные токи. Картина течения этих индуцированных токов напоминает вихри в воде; поэтому они называются вихревыми токами.

Закон электромагнитной индукции.Кто открыл явление электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. Еще за 10 лет до этого Фарадей думал о способе превратить магнетизм в электричество. Он считал, что магнитное поле и электрическое поле должны быть как-то связаны.

Обнаружение электромагнитной индукции

Например, с помощью электрического поля вы можете намагнитить железный предмет. Наверное, должна быть возможность использования магнита для получения электрического тока.

Сначала Фарадей открыл явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках относительно друг друга. Когда ток появлялся в одной из них в другой катушке, ток также индуцировался. Более того, в дальнейшем он исчез, а снова появился только при отключении питания на одну катушку.

Спустя некоторое время Фарадей экспериментально доказал, что при перемещении одной катушки без тока в цепи относительно другой, на концах которой приложено напряжение, электрический ток появится и в первой катушке.

Следующим экспериментом было введение в катушку магнита, и в нем тоже появился ток. Эти эксперименты показаны на следующих рисунках.

Фарадей сформулировал основную причину появления тока в замкнутом контуре. В замкнутой проводящей цепи ток возникает, когда количество линий магнитной индукции, пронизывающих эту цепь, изменяется.

Чем больше это изменение, тем сильнее индукционный ток. Как бы мы ни добились изменения количества линий магнитной индукции.Например, это можно сделать, перемещая контур в неоднородном магнитном поле, как это произошло в эксперименте с магнитом или перемещением катушки. И мы можем, например, изменить силу тока в катушке, прилегающей к цепи, и магнитное поле, создаваемое этой катушкой, изменится.

Формулировка закона

Подведем краткие итоги. Явление электромагнитной индукции — это явление возникновения тока в замкнутом контуре с изменением магнитного поля, в котором этот контур находится.

Для более точной формулировки закона электромагнитной индукции необходимо ввести величину, которая бы характеризовала магнитное поле — поток вектора магнитной индукции.

Магнитный поток

Вектор магнитной индукции обозначается буквой B. Он будет характеризовать магнитное поле в любой точке пространства. Теперь рассмотрим замкнутый контур, ограничивающий поверхность S. Поместим ее в однородное магнитное поле.

Между вектором нормали к поверхности и вектором магнитной индукции будет определенный угол a.Магнитный поток Φ через поверхность площадью S называется физической величиной, равной произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь поверхности и косинус угла между вектором магнитной индукции и нормалью к контуру.

Φ = B * S * cos (а).

Произведение B * cos (a) — это проекция вектора B на нормаль n. Следовательно, форму магнитного потока можно переписать следующим образом:

Единицей измерения магнитного потока является Вебер.2, перпендикулярный вектору магнитной индукции.

После открытий Эрстеда и Ампера стало ясно, что электричество обладает магнитной силой. Теперь необходимо было подтвердить влияние магнитных явлений на электрические. Эта задача была блестяще решена Фарадеем.

Майкл Фарадей (1791-1867) родился в Лондоне, в одном из его беднейших районов. Его отец был кузнецом, а мать была дочерью фермера-арендатора. Когда Фарадей достиг школьного возраста, его отправили в начальную школу.Курс, взятый здесь Фарадеем, был очень узким и ограничивался только обучением чтению, письму и началом рассказа.

В нескольких шагах от дома, в котором жила семья Фарадеев, находился книжный магазин, который также был переплетчиком. Вот куда попал Фарадей, окончив курс начальной школы, когда встал вопрос о выборе ему профессии. Майклу на тот момент было всего 13 лет. Уже в молодом возрасте, когда Фарадей только начинал заниматься самообразованием, он стремился полагаться исключительно на факты и проверять сообщения других на собственном опыте.

Эти стремления доминировали над ним всю жизнь как основные черты его научной деятельности. Фарадей начал проводить физические и химические эксперименты еще мальчиком при самом первом знакомстве с физикой и химией. Однажды Майкл посетил одну из лекций Хамфри Дэви, великого английского физика.

Фарадей сделал подробную запись лекции, переплел ее и отправил Дэви. Он был так поражен, что пригласил Фарадея поработать с ним секретарем. Вскоре Дэви отправился в путешествие по Европе и взял с собой Фарадея.За два года они посетили крупнейшие университеты Европы.

Вернувшись в Лондон в 1815 году, Фарадей начал работать ассистентом в одной из лабораторий Королевского института в Лондоне. В то время это была одна из лучших физических лабораторий в мире. С 1816 по 1818 год Фарадей напечатал ряд небольших заметок и небольших воспоминаний по химии. К 1818 году появилась первая работа Фарадея по физике.

Опираясь на опыт своих предшественников и объединив несколько собственных опытов, к сентябрю 1821 года Майкл опубликовал «Историю успеха электромагнетизма».Уже в это время он составил совершенно правильное представление о сути явления отклонения магнитной стрелки током.

Достигнув этого успеха, Фарадей на десять лет оставляет занятия в области электричества, посвящая себя изучению ряда объектов иного рода. В 1823 году Фарадей сделал одно из важнейших открытий в области физики — он впервые достиг сжижения газа и в то же время установил простой, но действенный метод преобразования газов в жидкости.В 1824 году Фарадей сделал несколько открытий в области физики.

Среди прочего он установил тот факт, что свет влияет на цвет стекла, изменяя его. В следующем году Фарадей снова переходит от физики к химии, и результатом его работы в этой области является открытие бензина и серно-нафталиновой кислоты.

В 1831 году Фарадей опубликовал трактат об особом виде оптических иллюзий, который послужил основой для красивого и любопытного оптического снаряда, названного «хромотропным».В том же году был опубликован еще один трактат ученого «О виброплитах». Многие из этих произведений могли сами увековечить имя своего автора. Но наиболее важными из научных работ Фарадея являются его исследования в области электромагнетизма и электрической индукции.

Строго говоря, важный отдел физики, который интерпретирует явления электромагнетизма и индукционного электричества и который сейчас имеет такое огромное значение для техники, был создан Фарадеем на пустом месте.

К тому времени, когда Фарадей полностью посвятил себя исследованиям в области электричества, было обнаружено, что в обычных условиях присутствие наэлектризованного тела достаточно для того, чтобы его влияние могло возбуждать электричество в любом другом теле. В то же время было известно, что провод, по которому течет ток и который также представляет собой наэлектризованное тело, никак не влияет на другие провода, расположенные рядом с ним.

Почему это исключение зависело? Это вопрос, который интересовал Фарадея и решение которого привело его к важнейшим открытиям в области индукционного электричества.Как обычно, Фарадей начал серию экспериментов, которые должны были прояснить суть дела.

Фарадей намотал на одной деревянной скалке два изолированных провода параллельно друг другу. Он соединил концы одного провода с батареей из десяти элементов, а концы другого — с чувствительным гальванометром. Когда через первый провод пропускали ток,

Фарадей обратил все свое внимание на гальванометр, ожидая увидеть появление тока во втором проводе из-за колебаний.Однако ничего подобного не произошло: гальванометр оставался спокойным. Фарадей решил увеличить силу тока и ввел в схему 120 гальванических элементов. Результат тот же. Фарадей повторил этот эксперимент десятки раз и все с одинаковым успехом.

Любой другой на его месте оставил бы эксперименты, убедившись, что ток, проходящий через провод, не влияет на соседний провод. Но Фарадей всегда старался извлечь из своих экспериментов и наблюдений все, что они могут дать, и поэтому, не получив прямого воздействия на провод, подключенный к гальванометру, он стал искать побочные эффекты.

Сразу заметил, что гальванометр, оставаясь совершенно спокойным во время прохождения тока, начинает колебаться при замыкании самой цепи, а при размыкании оказалось, что в момент, когда ток был пропущен по первому проводу, и также, когда эта передача прекращается, второй провод также возбуждает ток, имеющий в первом случае направление, противоположное первому току, и такое же направление во втором случае и продолжающееся только одно мгновение.

Эти вторичные мгновенные токи, вызванные влиянием первичных, были названы Фарадеем индуктивными, и это название сохранилось для них до сих пор.Будучи мгновенными, мгновенно исчезающими после своего появления, индуктивные токи не имели бы никакого практического значения, если бы Фарадей не нашел способ использовать гениальное устройство (переключатель) для прерывания и повторного проведения первичного тока, идущего от батареи, через первый провод, поэтому что второй провод постоянно возбуждается все новыми и новыми индуктивными токами, становясь, таким образом, постоянным. Так был найден новый источник электрической энергии, помимо ранее известных (трение и химические процессы), — индукция, и новый вид этой энергии — индукционное электричество.

Продолжая свои эксперименты, Фарадей далее обнаружил, что достаточно просто подвести провод, скрученный в замкнутую кривую, к другому, по которому течет гальванический ток, чтобы вызвать индуктивный ток в направлении, противоположном гальваническому току в нейтральном проводе. , так что удаление нейтрального провода снова вызывает индуктивное возбуждение, ток уже идет в том же направлении, что и гальванический ток, проходящий через фиксированный провод, и что, наконец, эти индуктивные токи возбуждаются только тогда, когда провод приближается и удаляется в ток гальванического проводника, и без этого движения токи не возбуждаются, независимо от того, насколько близко провода расположены друг к другу.

Таким образом, было обнаружено новое явление, подобное описанному выше явлению индукции во время замыкания и прекращения гальванического тока. Эти открытия, в свою очередь, привели к новым. Если возможно вызвать индукционный ток путем короткого замыкания и прекращения гальванического тока, не приведет ли тот же результат к намагничиванию и размагничиванию железа?

Работы Эрстеда и Ампера уже установили связь магнетизма и электричества. Было известно, что железо превращается в магнит, когда на него наматывается изолированный провод и через него протекает гальванический ток, и что магнитные свойства этого железа исчезают, как только прекращается ток.

На основе этого Фарадей изобрел такой опыт: два изолированных провода были намотаны на железное кольцо; Причем одна проволока наматывалась на одну половину кольца, а другая — на другую. По одному проводу пропускали ток от гальванической батареи, а концы другого подключались к гальванометру. И вот, когда ток замыкался или прекращался, и, следовательно, когда железное кольцо было намагничено или размагничено, стрелка гальванометра быстро колебалась, а затем быстро останавливалась, то есть в нейтральном проводе возбуждались все те же мгновенные индуктивные токи — это время: уже под воздействием магнетизма.

Таким образом, здесь впервые магнетизм был превращен в электричество. Получив эти результаты, Фарадей решил разнообразить свои эксперименты. Вместо железного кольца он стал использовать железную полосу. Вместо того чтобы возбуждать магнетизм в железе гальваническим током, он намагничивал железо, касаясь его постоянным стальным магнитом. Результат был тот же: всегда в проволоке! ток возбуждался во время намагничивания и размагничивания железа.

Затем Фарадей ввел в проволочную спираль стальной магнит — приближение и удаление последнего вызвало индукционные токи в проволоке.Одним словом, магнетизм в смысле возбуждения индукционных токов действует точно так же, как гальванический ток.

В то время физики были сильно озабочены одним загадочным явлением, открытым в 1824 году Араго и не находившим объяснения, несмотря на; что этого объяснения усиленно искали такие выдающиеся ученые того времени, как сам Араго, Ампер, Пуассон, Бабадж и Гершель.

Дело было следующим. Магнитная игла, свободно свисающая, быстро останавливается, когда под ней подносится круг из немагнитного металла; если затем вращать круг, магнитная стрелка начинает двигаться за ним.

В спокойном состоянии невозможно было открыть малейшее притяжение или отталкивание между кругом и стрелой, а тот же круг, который находился в движении, тянул не только легкую стрелу, но и тяжелый магнит. Это поистине чудесное явление казалось ученым того времени загадочной загадкой, чем-то сверхъестественным.

Основываясь на своих вышеизложенных данных, Фарадей сделал предположение, что круг из немагнитного металла под действием магнита во время вращения окружен индуктивными токами, которые воздействуют на магнитную стрелку и притягивают ее за магнитом.

Действительно, поместив край круга между полюсами большого подковообразного магнита и соединив центр провода и край круга с помощью гальванометра, Фарадей получил постоянный электрический ток во время вращения круга.

После этого Фарадей остановился на другом явлении, вызвавшем тогда всеобщее любопытство. Как известно, если посыпать магнит железными опилками, они сгруппируются по определенным линиям, называемым магнитными кривыми. Фарадей, обратив внимание на это явление, дал в 1831 году основу для магнитных кривых под названием «силовые линии магнитного поля», которое впоследствии вошло в широкое употребление.

Исследование этих «линий» привело Фарадея к новому открытию, оказалось, что для индукции индуктивных токов приближение и удаление источника от магнитного полюса необязательны. Для возбуждения токов достаточно известным способом пересечь магнитные силовые линии.

Дальнейшие работы Фарадея в вышеупомянутом направлении приобрели, с точки зрения его современности, характер чего-то совершенно чудесного. В начале 1832 года он продемонстрировал устройство, в котором индукционные токи возбуждались без помощи магнита или гальванического тока.

Устройство состояло из железной полосы, помещенной в катушку из проволоки. В обычных условиях это устройство не подавало ни малейшего признака появления в нем токов; но как только ему дали направление, соответствующее направлению магнитной стрелки, в проводе возбудился ток.

Затем Фарадей дал положение магнитной стрелки одной катушке, а затем ввел в нее железную полоску: снова возбудился ток. Причиной возникновения тока в этих случаях был земной магнетизм, который вызывал индукционные токи, подобные обычному магниту или гальваническому току.Чтобы более наглядно показать и доказать это, Фарадей провел еще один эксперимент, полностью подтвердивший его соображения.

Он рассуждал, что если круг из немагнитного металла, например, из меди, вращающийся в положении, в котором он пересекает силовые линии соседнего магнита, дает индуктивный ток, то тот же круг, вращающийся в отсутствие магнита, но в положении, в котором круг будет пересекать линии земного магнетизма, также должен давать индуктивный ток.

Действительно, медный круг, вращающийся в горизонтальной плоскости, давал индукционный ток, который вызывал заметное отклонение стрелки гальванометра. Фарадей завершил ряд исследований в области электрической индукции, сделав в 1835 году открытие «индуцирующего воздействия тока на самого себя».

Он обнаружил, что когда гальванический ток замыкается или размыкается в самом проводе, который служит проводником для этого тока, возникают мгновенные индуктивные токи.

Русский физик Эмиль Христофорович Ленц (1804-1861) дал правило для определения направления индукционного тока. «Индукционный ток всегда направлен таким образом, что создаваемое им магнитное поле препятствует или замедляет индуцирующее индукцию движение», — отмечает А.А. Коробко-Стефанов в своей статье об электромагнитной индукции. — Например, когда катушка приближается к магниту, индуцированный индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле будет противоположно магнитному полю магнита.В результате между катушкой и магнитом возникают силы отталкивания.

Правило Ленца следует из закона сохранения и преобразования энергии. Если бы индукционные токи ускоряли вызывающее их движение, то работа создавалась бы из ничего. После небольшого толчка катушка устремится к магниту, и в то же время индукционный ток будет выделять в нем тепло. На самом деле индукционный ток создается за счет сближения магнита и катушки.

Почему возникает индукционный ток? Глубоко объяснив явление электромагнитной индукции, далангианский физик Джеймс Клерк Максвелл является создателем полной математической теории электромагнитного поля.

Чтобы лучше понять суть дела, рассмотрим очень простой опыт. Пусть катушка состоит из одной катушки с проволокой и пронизана переменным магнитным полем, перпендикулярным плоскости катушки. В катушке естественно возникает индукционный ток.Максвелл интерпретировал этот эксперимент чрезвычайно смело и неожиданно.

При изменении магнитного поля в пространстве по Максвеллу возникает процесс, для которого наличие проволочной петли не имеет значения. Главное здесь — появление замкнутых круговых линий электрического поля, закрывающих изменяющееся магнитное поле. Под действием возникающего электрического поля электроны начинают двигаться, и в катушке возникает электрический ток. Катушка — это просто устройство, которое позволяет обнаруживать электрическое поле.

Суть явления электромагнитной индукции заключается в том, что переменное магнитное поле всегда генерирует электрическое поле в окружающем пространстве с замкнутыми силовыми линиями. Такое поле называется вихрем.

Исследования в области индукции, создаваемой земным магнетизмом, дали Фарадею возможность еще в 1832 году выразить идею телеграфа, который затем лег в основу этого изобретения. Вообще открытие электромагнитной индукции недаром относят к самым выдающимся открытиям XIX века — на этом явлении основана работа миллионов электродвигателей и генераторов электрического тока по всему миру…

Источник информации: Самин Д.К. «Сто великих научных открытий». М .: «Вече», 2002,

.

Ответ:

Следующим важным шагом в развитии электродинамики после экспериментов Ампера было открытие явления электромагнитной индукции. Явление электромагнитной индукции было открыто английским физиком Майклом Фарадеем (1791 — 1867).

Фарадей, еще молодой ученый, как и Эрстед, думал, что все силы природы взаимосвязаны и, более того, они способны трансформироваться друг в друга.Интересно, что Фарадей высказал эту идею еще до установления закона сохранения и преобразования энергии. Фарадей знал об открытии Ампера, что, говоря образным языком, он превратил электричество в магнетизм. Размышляя над этим открытием, Фарадей пришел к выводу, что если «электричество создает магнетизм», то, наоборот, «магнетизм должен создавать электричество». А в 1823 году он записал в дневнике: «Превратите магнетизм в электричество». Восемь лет Фарадей работал над решением этой проблемы.Долгое время его преследовали неудачи, и, наконец, в 1831 году он решил это — открыл явление электромагнитной индукции.

во-первых, Фарадей открыл явление электромагнитной индукции для случая, когда катушки намотаны на одном барабане. Если электрический ток возникает или исчезает в одной катушке в результате подключения к ней гальванической батареи или отключения от нее, то в этот момент в другой катушке возникает кратковременный ток. Этот ток регистрируется гальванометром, который подключен ко второй катушке.

Затем Фарадей также установил наличие индукционного тока в катушке, когда катушка, в которой протекал электрический ток, приближалась к ней или удалялась от нее.

, наконец, третий случай электромагнитной индукции, который обнаружил Фарадей, заключался в том, что в катушке возникал ток, когда в нее вводили магнит или удаляли из нее.

Открытие Фарадея привлекло внимание многих физиков, которые также начали изучать особенности явления электромагнитной индукции.Следующей задачей было установить общий закон электромагнитной индукции. Необходимо было выяснить, как и от чего зависит сила индукционного тока в проводнике или от чего зависит значение электродвижущей силы индукции в проводнике, в котором индуцируется электрический ток.

Задача была трудной. Она была полностью решена Фарадеем и Максвеллом позже в рамках разработанной ими доктрины электромагнитного поля. Но ее пытались решить и физики, придерживавшиеся обычной для того времени теории дальнодействия в теории электрических и магнитных явлений.

Что-то удалось этим ученым. Более того, они могли бы открыть правило определения направления индукционного тока в различных случаях электромагнитной индукции, открытое петербургским академиком Эмилием Христиановичем Ленцем (1804 — 1865). Ленц сформулировал это так: «Если металлический проводник движется близко к гальваническому току или магниту, то в нем возбуждается гальванический ток в таком направлении, что, если бы этот проводник был неподвижным, ток мог бы заставить его двигаться в противоположном направлении. направление; предполагается, что покоящийся проводник может двигаться только в направлении движения или в противоположном направлении.”

Это правило очень удобно для определения направления индукционного тока. Мы используем его сейчас, только сейчас он сформулирован несколько иначе, с использованием концепции электромагнитной индукции, которую Ленц не использовал.

Но исторически главное значение правила Ленца заключалось в том, что оно натолкнуло на мысль о том, как подойти к определению закона электромагнитной индукции. Дело в том, что в правиле атома устанавливается связь между электромагнитной индукцией и явлением взаимодействия токов.Вопрос о взаимодействии токов был решен еще Ампера. Поэтому установление этой связи сначала позволило определить выражение электродвижущей силы индукции в проводнике для ряда частных случаев.

В общих чертах закон электромагнитной индукции, как мы уже сказали, был установлен Фарадеем и Максвеллом.

Электромагнитная индукция — это явление возникновения электрического тока в замкнутой цепи при изменении проходящего через нее магнитного потока.

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутой проводящей цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что вызывает изменение потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным.

Самоиндукция — это возникновение индукции ЭДС в замкнутой проводящей цепи при изменении тока, протекающего по цепи.

Когда ток в цепи изменяется, магнитный поток через поверхность, ограниченную этой цепью, также изменяется пропорционально. Изменение этого магнитного потока в силу закона электромагнитной индукции приводит к возбуждению в этой цепи индуктивной ЭДС.

Это явление называется самоиндукцией. (Это понятие связано с понятием взаимной индукции, являясь как бы его частным случаем).

Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при увеличении тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому увеличению (направлено против тока), а при уменьшении тока — уменьшается (со -направление с током). По этому свойству ЭДС самоиндукции подобна инерции.

Созданию первого реле предшествовало изобретение в 1824 году англичанином Штургеном электромагнита — устройства, преобразующего входной электрический ток проволочной катушки, намотанной на железный сердечник, в магнитное поле, сформированное внутри и снаружи этого сердечника.Магнитное поле фиксировалось (детектировалось) по его воздействию на ферромагнитный материал, расположенный вблизи сердечника. Этот материал притягивался к сердечнику электромагнита.

Впоследствии эффект преобразования энергии электрического тока в механическую энергию осмысленного движения внешнего ферромагнитного материала (якоря) лег в основу различных электромеханических телекоммуникационных устройств (телеграфия и телефония), электротехники и электроэнергетики. Одним из первых таких устройств было электромагнитное реле, изобретенное американцем Дж.Генрих в 1831 году.

До сих пор мы рассматривали электрические и магнитные поля, которые не меняются со временем. Выяснилось, что электрическое поле создается электрическими зарядами, а магнитное поле — движущимися зарядами, т. Е. Электрическим током. Перейдем к знакомству с электрическими и магнитными полями, которые меняются со временем.

Самым важным фактом, который был обнаружен, была самая тесная связь между электрическим и магнитным полями. Изменяющееся во времени магнитное поле создает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле.Без этой связи между полями разнообразие проявлений электромагнитных сил не было бы таким обширным, как на самом деле. Не было бы ни радиоволн, ни света.

Неслучайно первый решительный шаг в открытии новых свойств электромагнитных взаимодействий сделал основоположник представлений об электромагнитном поле — Фарадей. Фарадей был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений. Благодаря этому он сделал открытие, которое впоследствии легло в основу устройства генераторов всех электростанций мира, преобразующих механическую энергию в энергию электрического тока.(Другие источники: гальванические элементы, батареи и т. Д. — дают незначительную долю вырабатываемой энергии.)

Электрический ток, утверждал Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока?

Долгое время это соединение не находилось. Было сложно придумать главное, а именно: только движущийся магнит или изменяющееся во времени магнитное поле может возбудить электрический ток в катушке.

Какие происшествия могли помешать открытию, свидетельствует следующий факт.Практически одновременно с Фарадеем швейцарский физик Колладон попытался получить электрический ток в катушке с помощью магнита. При работе он использовал гальванометр, легкая магнитная стрелка которого помещалась внутри катушки прибора. Чтобы магнит не воздействовал напрямую на иглу, концы катушки, в которую Колладон вставлял магнит, надеясь получить в нем ток, выносили в соседнюю комнату и соединяли там с гальванометром. Вставив магнит в катушку, Колладон вошел в соседнюю комнату и с досадой

убедился, что гальванометр не показывает ток.Если бы ему пришлось все время смотреть на гальванометр и просить кого-нибудь взяться за магнит, было бы сделано замечательное открытие. Но этого не произошло. Магнит, покоящийся относительно катушки, не вызывает в ней тока.

Явление электромагнитной индукции заключается в появлении электрического тока в проводящей цепи, который либо находится в изменяющемся во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что количество проникающих линий магнитной индукции схема меняется.Он был открыт 29 августа 1831 года. Редкий случай, когда дата нового замечательного открытия известна так точно. Вот описание первого опыта, данного самим Фарадеем:

«Медный провод длиной 203 фута был намотан на широкую деревянную катушку, и провод такой же длины, но изолированный от первой хлопковой нити, был намотан между ними. повороты. Одна из этих спиралей была подключена к гальванометру, а другая — к мощной батарее, состоящей из 100 пар пластин … Когда цепь была замкнута, можно было заметить внезапное, но очень слабое воздействие на гальванометр, и то же самое. вещь была замечена когда ток перестал.При непрерывном прохождении тока через одну из спиралей невозможно было заметить ни воздействие на гальванометр, ни какое-либо индукционное воздействие на другую спираль в целом, несмотря на то, что нагрев всей спирали, подключенной к батарее и яркость искры, проскальзывающей между углями, указывала на заряд батареи »(Фарадей М.« Экспериментальные исследования электричества », 1-я серия).

Итак, индукция была первоначально обнаружена в неподвижных проводниках относительно друг друга, когда цепь была замкнута и разомкнута.Затем, четко понимая, что приближение или удаление проводников с током должно приводить к тому же результату, что и замыкание и размыкание цепи, Фарадей экспериментально доказал, что ток возникает при перемещении катушек каждые

.

относительно друга. Знакомый с работами Ампера, Фарадей понял, что магнит — это совокупность малых токов, циркулирующих в молекулах. 17 октября, как записано в его лабораторном журнале, индукционный ток был обнаружен в катушке во время вставки (или вытягивания) магнита.В течение одного месяца Фарадей экспериментально обнаружил все существенные особенности явления электромагнитной индукции.

В настоящее время эксперименты Фарадея может повторить каждый. Для этого у вас должны быть две катушки, магнит, батарея ячеек и довольно чувствительный гальванометр.

В схеме, показанной на рисунке 238, индукционный ток возникает в одной из катушек, когда электрическая цепь другой катушки замыкается или размыкается, которая является неподвижной относительно первой.В установке, показанной на Рисунке 239, при использовании реостата сила тока в одной из катушек изменяется. На рисунке 240 индукционный ток появляется при движении катушек относительно друг друга, а на рисунке 240, б — при движении постоянного магнита относительно катушки.

Уже сам Фарадей уловил тот генерал, который определяет появление индукционного тока в экспериментах, которые выглядят иначе.

В замкнутой проводящей цепи ток возникает, когда количество линий магнитной индукции, пронизывающих область, ограниченную этой цепью, изменяется.И чем быстрее изменяется количество линий магнитной индукции, тем больше индуцированный ток. Причем совершенно безразлична причина изменения количества линий магнитной индукции. Это может быть как изменение количества линий магнитной индукции, пронизывающих область стационарной проводящей цепи, за счет изменения силы тока в соседней катушке (рис. 238), так и изменение количества линий индукции за счет движения контура в неоднородном магнитном поле, плотность линий которого изменяется в пространстве (рис.241).

Вектор магнитной индукции \\ (~ \\ vec B \\) характеризует магнитное поле в каждой точке пространства. Введем еще одну величину, которая зависит от значения вектора магнитной индукции не в одной точке, а во всех точках произвольно выбранной поверхности. Эта величина называется потоком вектора магнитной индукции или магнитным потоком .

Выбираем в магнитном поле такой небольшой элемент поверхности с площадью Δ S , чтобы магнитная индукция во всех точках могла считаться одинаковой.Пусть \\ (~ \\ vec n \\) будет нормалью к элементу, образующему угол α с направлением вектора магнитной индукции (рис. 1).

Поток вектора магнитной индукции через поверхность площадью Δ S назовем величиной, равной произведению модуля вектора магнитной индукции \ (~ \ vec B \) на площадь Δ S и косинус угла α между векторами \ (~ \ vec n \) и \ (~ \ vec n \) (перпендикулярно поверхности):

\ (~ \ Delta \ Phi = B \ \ cdot \ Delta S \ cdot \ cos \ alpha \).

Состав B ∙ cos α = IN n — проекция вектора магнитной индукции на нормаль к элементу. следовательно

\ (~ \ Delta \ Phi = B_n \ cdot \ Delta S \).

Поток может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от угла α .

Если магнитное поле однородно, то поток через плоскую поверхность площадью S равен:

\ (~ \ Phi = B \ cdot S \ cdot \ cos \\ альфа \\).

Поток магнитной индукции можно четко интерпретировать как величину, пропорциональную количеству линий вектора \\ (~ \\ vec B \\), пронизывающих эту площадь поверхности.

Вообще говоря, поверхность может быть закрытой. В этом случае количество линий индукции, выходящих на поверхность, равно количеству линий, выходящих из нее (рис. 2). Если поверхность замкнута, то внешняя нормаль считается положительной нормалью к поверхности.

Линии магнитной индукции замкнуты, это означает, что поток магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю.(Линии, покидающие поверхность, дают положительный поток, а входящие — отрицательный.) Это фундаментальное свойство магнитного поля связано с отсутствием магнитных зарядов. Если бы не было электрических зарядов, то электрический поток через замкнутую поверхность был бы равен нулю.

Электромагнитная индукция

Открытие электромагнитной индукции

В 1821 году Майкл Фарадей записал в своем дневнике: «Превратите магнетизм в электричество». Спустя 10 лет эта проблема была им решена.

М. Фарадей был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений, но долгое время связь этих явлений не могла быть обнаружена. Было сложно придумать главное: только изменяющееся во времени магнитное поле может возбудить электрический ток в неподвижной катушке или сама катушка должна двигаться в магнитном поле.

Открытие электромагнитной индукции, как назвал это явление Фарадей, было сделано 29 августа 1831 года. Вот краткое описание первого эксперимента, данное самим Фарадеем.«Медный провод длиной 203 фута был намотан на широкую деревянную катушку (фут 304,8 мм), и провод такой же длины, но изолированный от первой хлопковой нити, был намотан между его витками. Одна из этих спиралей была подключена к гальванометру, а другая — к мощной батарее, состоящей из 100 пар пластин … Когда цепь была замкнута, было замечено внезапное, но очень слабое воздействие на гальванометр, и было замечено то же самое. когда ток остановился. При непрерывном прохождении тока через одну из спиралей невозможно было заметить ни воздействие на гальванометр, ни какое-либо индукционное воздействие на другую спираль в целом, несмотря на то, что нагрев всей спирали, подключенной к батарее и Яркость искры, проскальзывающей между углями, свидетельствовала о разряде батареи.»

Итак, индукция была первоначально обнаружена в проводниках, неподвижных относительно друг друга, когда цепь была замкнута и открыта. Затем, четко понимая, что приближение или удаление проводников с током должно приводить к тому же результату, что и замыкание и размыкание цепи, Фарадей доказал Эксперименты показали, что ток возникает, когда катушки движутся относительно друг друга (рис. 3).

Знакомый с работами Ампера, Фарадей понял, что магнит — это совокупность малых токов, циркулирующих в молекулах.17 октября, как было записано в его лабораторном журнале, индукционный ток был обнаружен в катушке во время введения (или выдвижения) магнита (рис. 4).

В течение одного месяца Фарадей экспериментально обнаружил все существенные особенности явления электромагнитной индукции. Оставалось только придать закону строгую количественную форму и полностью раскрыть физическую природу явления. Уже сам Фарадей поймал того генерала, который определяет появление индукционного тока в экспериментах, которые выглядят иначе.

В замкнутой проводящей цепи ток возникает, когда количество линий магнитной индукции, проходящих через поверхность, ограниченную этой цепью, изменяется. Это явление называется электромагнитной индукцией.

И чем быстрее изменяется количество линий магнитной индукции, тем больше генерируемый ток. Причем совершенно безразлична причина изменения количества линий магнитной индукции. Это может быть изменение количества линий магнитной индукции, пронизывающих неподвижный проводник, из-за изменения силы тока в соседней катушке, и изменение количества линий из-за движения цепи в неоднородном магнитном поле, плотность линий которых варьируется в пространстве (рис.5).

Правило Ленца

Индукционный ток, возникающий в проводнике, сразу же начинает взаимодействовать с током или магнитом, который его генерировал. Если магнит (или катушку с током) приблизить к замкнутому проводнику, то возникающий индукционный ток своим магнитным полем обязательно отталкивает магнит (катушку). Чтобы приблизить магнит и катушку, нужно проделать работу. Когда магнит убирается, возникает притяжение. Это правило строго соблюдается.Представьте, что ситуация была бы другой: вы прижали магнит к катушке, а он ворвался бы внутрь нее. В этом случае нарушится закон сохранения энергии. В конце концов, механическая энергия магнита увеличится, и в то же время возникнет ток, который сам по себе требует потребления энергии, потому что ток также может выполнять эту работу. Наведенный в якоре генератора электрический ток, взаимодействуя с магнитным полем статора, замедляет вращение якоря.Только поэтому, чтобы повернуть якорь, нужно проделать работу, чем больше, тем больше сила тока. Благодаря этой работе возникает индукционный ток. Интересно отметить, что если бы магнитное поле нашей планеты было очень большим и очень неоднородным, то быстрые движения проводящих тел по ее поверхности и в атмосфере были бы невозможны из-за интенсивного взаимодействия индуцированного в теле тока с это поле. Тела двигались бы как в плотной вязкой среде и в то же время были бы очень теплыми.Ни самолеты, ни ракеты летать не могли. Человек не может быстро двигать руками или ногами, поскольку человеческое тело — хорошее средство передвижения.

Если катушка, в которой индуцируется ток, неподвижна относительно соседней катушки переменного тока, как, например, с трансформатором, то в этом случае направление индукционного тока определяется законом сохранения энергии. Этот ток всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле стремится уменьшить изменения тока в первичной обмотке.

Отталкивание или притяжение магнита катушкой зависит от направления индукционного тока в ней. Следовательно, закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока. В чем разница между двумя экспериментами: приближением магнита к катушке и его удалением? В первом случае магнитный поток (или количество линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки) увеличивается (рис.6, а), а во втором — уменьшается (рис.6, б). Более того, в первом случае индукционная линия IN «Магнитное поле, создаваемое индукционным током, возникающим в катушке, покидает верхний конец катушки, так как катушка отталкивает магнит, а во втором случае, наоборот. , он входит в этот конец. Эти линии магнитной индукции на рисунке 6 показаны штрихом.

Рис. 6

Теперь мы подошли к главному: с увеличением магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле предотвращает рост магнитного потока через витки катушки.Ведь вектор индукции \\ (~ \\ vec B \\) этого поля направлен против вектора индукции \\ (~ \\ vec B \\) поля, изменение которого порождает электрический ток. Если магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный ток создает магнитное поле с индукцией \\ (~ \\ vec B «\\), увеличивая магнитный поток через витки катушки.

Это суть общее правило определения направления индукционного тока, применимое во всех случаях.Это правило установил русский физик Э. X. Ленц (1804-1865).

Согласно правилу Ленца

индукционный ток, возникающий в замкнутой цепи, имеет такое направление, что магнитный поток, создаваемый им через поверхность, ограниченную цепью, стремится предотвратить изменение потока, который генерирует этот ток.

индукционный ток имеет направление, которое предотвращает причину его возникновения.

В случае сверхпроводников компенсация изменений внешнего магнитного потока будет полной.Поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную сверхпроводящим контуром, не меняется ни при каких условиях.

Закон электромагнитной индукции

Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока I i в проводящей цепи пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции \ (~ \ vec B \), проникающих через поверхность. ограниченный этой схемой. Точнее, это утверждение можно сформулировать, используя понятие магнитного потока.

Магнитный поток четко интерпретируется как количество линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность S . Следовательно, скорость изменения этого числа есть не что иное, как скорость изменения магнитного потока. Если за короткое время Δ t магнитный поток изменится на Δ F , то скорость изменения магнитного потока будет \\ (~ \\ frac (\\ Delta \\ Phi) (\\ Delta t) \ \).

Следовательно, утверждение, которое непосредственно следует из опыта, можно сформулировать следующим образом:

индукционный ток пропорционален скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

\ (~ I_i \ sim \ frac (\ Delta \ Phi) (\ Delta t) \).

Известно, что в цепи возникает электрический ток, когда на свободные заряды действуют внешние силы. Работа этих сил при перемещении одиночного положительного заряда по замкнутому контуру называется электродвижущей силой. Поэтому при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в ней возникают внешние силы, действие которых характеризуется ЭДС, называемой ЭДС индукции. Обозначим его буквой E i.

Закон электромагнитной индукции сформулирован специально для ЭДС, а не для силы тока.В такой формулировке закон выражает суть явления, независимо от свойств проводников, в которых возникает индукционный ток.

Согласно закон электромагнитной индукции (ЭМИ)

Индукция ЭДС в замкнутом контуре равна по величине скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

\ (~ | E_i | = | \\ frac (\\ Дельта \ Фи) (\ Дельта t) | \).

Как в законе электромагнитной индукции учесть направление индукционного тока (или знак ЭДС индукции) в соответствии с правилом Ленца?

На рисунке 7 показан замкнутый контур. Положительным считаем направление обхода цепи против часовой стрелки. Нормально к контуру \ (~ \ vec n \) образует правый винт с направлением обхода. Знак ЭДС, т.е. удельная работа, зависит от направления внешних сил по отношению к направлению обхода цепи.Если эти направления совпадают, то E i> 0 и, соответственно, I i> 0. В противном случае ЭДС и ток отрицательны.

Пусть магнитная индукция внешнего магнитного поля \\ (~ \\ vec B \\) направлена ​​по нормали к цепи и увеличивается со временем. Тогда F > 0 и \ (~ \\ frac (\\ Delta \ Phi) (\ Delta t) \\)> 0. Согласно правилу Ленца, индукционный ток создает магнитный поток F ‘B’ Магнитное поле индукционного тока показано штрихом на рисунке 7.Следовательно, индукционный ток I i направлен по часовой стрелке (против положительного направления байпаса), а индукционная ЭДС отрицательна. Следовательно, закон электромагнитной индукции должен иметь знак минус:

\ (~ E_i = — \ frac (\ Delta \ Phi) (\ Delta t) \).

В Международной системе единиц для определения единицы магнитного потока используется закон электромагнитной индукции. Это устройство называется Вебер (Wb).

Поскольку индукция ЭДС E i выражается в вольтах, а время — в секундах, то из закона электромагнитного излучения Вебера можно определить следующим образом:

магнитный поток через поверхность, ограниченную замкнутым контуром, составляет 1 Вб. если при равномерном снижении этого потока до нуля за 1 с в контуре возникает ЭДС индукции, равная 1 В:

1 Втб = 1 В ∙ 1 с.

Вихревое поле

Магнитное поле, изменяющееся во времени, создает электрическое поле . К такому выводу впервые пришел Дж. Максвелл.

Теперь явление электромагнитной индукции предстает перед нами в новом свете. Главное в нем — это процесс генерации электрического поля магнитным полем. Причем наличие токопроводящей цепи, например катушки, сути дела не меняет. Проводник с запасом свободных электронов (или других частиц) только помогает обнаружить возникающее электрическое поле.Поле заставляет электроны в проводнике проявлять себя. Суть явления электромагнитной индукции в неподвижном проводнике состоит не столько в появлении индукционного тока, сколько в появлении электрического поля, которое приводит в движение электрические заряды.

Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совершенно иную структуру, чем электростатическое. Он не имеет прямого отношения к электрическим зарядам, и его линии напряжения не могут начинаться и заканчиваться на них.Обычно они нигде не начинаются и не заканчиваются, а представляют собой замкнутые линии, похожие на линии индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле . Может возникнуть вопрос: почему, собственно, это поле называется электрическим? В конце концов, оно имеет другое происхождение и другую конфигурацию, чем статическое электрическое поле. Ответ прост: вихревое поле действует на заряд q так же, как электростатическое, и это мы учли и до сих пор считаем основным свойством поля.Сила, действующая на заряд, по-прежнему равна \ (~ \ vec F = q \ vec E \), где \ (~ \ vec E \) — напряженность поля вихря. Если магнитный поток создается однородным магнитным полем, сосредоточенным в длинной узкой цилиндрической трубке радиусом r 0 (рис. 8), то из симметрии очевидно, что линии электрического поля лежат в плоскостях, перпендикулярных линиям \ \ (~ \ vec B \) и являются окружностями. В соответствии с правилом Ленца, при увеличении магнитной индукции \ (~ \ left (\ frac (\ Delta B) (\ Delta t)> 0 \ right) \) линии натяжения \ ( ~ \ vec E \) образуют левый винт с индукцией магнитного направления \ (~ \ vec B \).

В отличие от статического или стационарного электрического поля, работа вихревого поля на замкнутом пути не равна нулю. Действительно, когда заряд движется по замкнутой линии напряженности электрического поля, работа на всех участках пути имеет одинаковый знак, так как сила и движение совпадают по направлению. Вихревое электрическое поле, как и магнитное, не является потенциальным.

Работа вихревого электрического поля по перемещению одиночного положительного заряда по замкнутому фиксированному проводнику численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

Итак, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Но не кажется ли вам, что одного утверждения недостаточно? Хотелось бы узнать, каков механизм этого процесса. Можно ли объяснить, как это соединение полей осуществляется в природе? И здесь ваше естественное любопытство не может быть удовлетворено. Здесь просто нет механизма. Закон электромагнитной индукции — это фундаментальный закон природы, а значит, он основной, первичный. Многие явления можно объяснить его действием, но само оно остается необъяснимым просто по той причине, что не существует более глубоких законов, из которых оно следовало бы как следствие.Во всяком случае, такие законы сейчас неизвестны. Это все основные законы: закон всемирного тяготения, закон Кулона и т. Д.

Конечно, мы вправе задавать природе любые вопросы, но не все они имеют смысл. Так, например, можно и нужно исследовать причины различных явлений, но пытаться выяснить, почему вообще существует причинность, бесполезно. Такова природа вещей, таков мир, в котором мы живем.

Литература

1. Жилко В.В. Физика: Учебник.пособие на 10 класс. общее образование. школа с обучением русскому языку / В.В. Жилко, А. Лавриненко, Л. Маркович. — Мн .: Нар. асвета, 2001. — 319 с.
2. Мякишев, Г.Я. Физика: электродинамика. 10-11 кл. : учебник. за углубленное изучение физики / Г.Я. Мякишев, А.3. Синяков, В. Слободсков. — М .: Дрофа, 2005. — 476 с.

Motional Emf | Физика

Цель обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Вычислить ЭДС, силу, магнитное поле и работу, обусловленную движением объекта в магнитном поле.

Как мы видели, любое изменение магнитного потока индуцирует противодействующую этому изменению ЭДС — процесс, известный как индукция. Движение — одна из основных причин индукции. Например, магнит, движущийся к катушке, индуцирует ЭДС, а катушка, движущаяся по направлению к магниту, создает аналогичную ЭДС. В этом разделе мы сосредоточимся на движении в магнитном поле, которое является стационарным относительно Земли, производя то, что в общих чертах называется ЭДС движения . Одна из ситуаций, когда возникает двигательная ЭДС, известна как эффект Холла и уже была исследована.Заряды, движущиеся в магнитном поле, испытывают магнитную силу F = qvB sin θ , которая перемещает противоположные заряды в противоположных направлениях и создает em f = Bℓv . Мы увидели, что эффект Холла имеет приложения, включая измерения B и v . Теперь мы увидим, что эффект Холла является одним из аспектов более широкого явления индукции, и мы обнаружим, что ЭДС движения может использоваться в качестве источника энергии. Рассмотрим ситуацию, показанную на рисунке 1.Стержень перемещается со скоростью v по паре проводящих рельсов, разделенных расстоянием ℓ в однородном магнитном поле B . Рейки неподвижны относительно B и подключены к стационарному резистору R . Резистором может быть что угодно, от лампочки до вольтметра. Рассмотрим площадь, ограниченную подвижным стержнем, направляющими и резистором. B перпендикулярно этой области, и площадь увеличивается по мере перемещения стержня. Таким образом, магнитный поток между рельсами, стержнем и резистором увеличивается.При изменении потока возникает ЭДС согласно закону индукции Фарадея.

Рис. 1. (a) ЭДС движения = B ℓ v индуцируется между рельсами, когда этот стержень перемещается вправо в однородном магнитном поле. Магнитное поле B находится внутри страницы, перпендикулярно движущемуся стержню и рельсам и, следовательно, к области, окружающей их. (б) Закон Ленца дает направление индуцированного поля и тока, а также полярность наведенной ЭДС.Поскольку поток увеличивается, индуцированное поле направлено в противоположном направлении или за пределы страницы. RHR-2 дает указанное направление тока, и полярность стержня будет управлять таким током. RHR-1 также указывает на такую ​​же полярность стержня. (Обратите внимание, что символ буквы E, используемый в эквивалентной схеме в нижней части части (b), представляет собой ЭДС.)

Чтобы найти величину ЭДС, индуцированной вдоль движущегося стержня, воспользуемся законом индукции Фарадея без знака:

[латекс] \ text {emf} = \ text {N} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex].

Здесь и далее «ЭДС» означает величину ЭДС. В этом уравнении N = 1 и поток Φ = BA cos θ . У нас θ = 0º и cos θ = 1, поскольку B перпендикулярно A . Теперь Δ Φ = Δ ( BA ) = B Δ A , поскольку B является однородным. Обратите внимание, что площадь, выметаемая стержнем, составляет Δ A = ℓ Δ x .Ввод этих величин в выражение для ЭДС дает

[латекс] \ text {emf} = \ frac {B \ Delta A} {\ Delta t} = B \ frac {\ ell \ Delta x} {\ Delta t} \\ [/ latex].

Наконец, обратите внимание, что Δ x / Δ t = v , скорость стержня. Ввод этого в последнее выражение показывает, что

ЭДС = Bℓv ( B , ℓ и v перпендикулярно)

— ЭДС движения. Это то же самое выражение, которое было дано ранее для эффекта Холла.

Налаживание связей: объединение сил

Между электрической и магнитной силой существует множество связей. Тот факт, что движущееся электрическое поле создает магнитное поле и, наоборот, движущееся магнитное поле создает электрическое поле, является частью того, почему электрические и магнитные силы теперь считаются разными проявлениями одной и той же силы. Это классическое объединение электрических и магнитных сил в то, что называется электромагнитной силой, является источником вдохновения для современных усилий по объединению других основных сил.

Чтобы найти направление индуцированного поля, направление тока и полярность наведенной ЭДС, мы применяем закон Ленца, как это объяснено в Законе индукции Фарадея: Закон Ленца. (См. Рис. 1 (b).) Поток увеличивается, так как увеличивается замкнутая площадь. Таким образом, индуцированное поле должно противостоять существующему и быть вне страницы. Таким образом, RHR-2 требует, чтобы I были повернуты против часовой стрелки, что, в свою очередь, означает, что верхняя часть стержня положительна, как показано.

ЭДС движения также возникает, если магнитное поле движется и стержень (или другой объект) неподвижен относительно Земли (или некоторого наблюдателя).Мы видели пример этого в ситуации, когда движущийся магнит индуцирует ЭДС в неподвижной катушке. Важно относительное движение. В этих наблюдениях обнаруживается связь между магнитным и электрическим полями. Движущееся магнитное поле создает электрическое поле за счет наведенной ЭДС. Мы уже видели, что движущееся электрическое поле создает магнитное поле — движущийся заряд подразумевает движущееся электрическое поле, а движущийся заряд создает магнитное поле.

ЭДС движения в слабом магнитном поле Земли обычно не очень велики, иначе мы могли бы заметить напряжение на металлических стержнях, таких как отвертка, во время обычных движений.Например, простой расчет ЭДС движения стержня длиной 1 м, движущегося со скоростью 3,0 м / с перпендикулярно полю Земли, дает ЭДС = Bℓv = (5,0 × 10 ⁻⁵ Тл) (1,0 м) (3,0 м / с) = 150 мкВ. Это небольшое значение согласуется с опытом. Однако есть впечатляющее исключение. В 1992 и 1996 годах с космическим шаттлом были предприняты попытки создать большие двигательные ЭДС. Привязанный спутник должен был быть выпущен на проводе длиной 20 км, как показано на рисунке 2, для создания ЭДС 5 кВ за счет движения с орбитальной скоростью через поле Земли.Эту ЭДС можно было бы использовать для преобразования некоторой кинетической и потенциальной энергии шаттла в электрическую, если бы можно было создать полную схему. Чтобы замкнуть цепь, неподвижная ионосфера должна была обеспечить обратный путь для протекания тока. (Ионосфера — это разреженная и частично ионизированная атмосфера на орбитальных высотах. Она проводит из-за ионизации. Ионосфера выполняет ту же функцию, что и неподвижные рельсы и соединительный резистор на рисунке 1, без которых не было бы полной цепи.) Затягивание тока в кабеле из-за магнитной силы F = IℓB sin θ выполняет работу, которая уменьшает кинетическую и потенциальную энергию челнока и позволяет преобразовать ее в электрическую. Оба теста не увенчались успехом. В первом случае кабель завис, и его можно было протянуть только на пару сотен метров; во втором трос оборвался при почти полном растяжении. Следующий пример показывает выполнимость в принципе.

Пример 1. Расчет большой ЭДС движения объекта на орбите

Рисунок 2.ЭДС движения как преобразование электроэнергии для космического челнока является мотивацией для эксперимента с привязанным спутником. Согласно прогнозам, ЭДС 5 кВ будет индуцироваться в тросе длиной 20 км при движении с орбитальной скоростью в магнитном поле Земли. Цепь замыкается обратным трактом через неподвижную ионосферу.

Рассчитайте ЭДС движения, индуцированную вдоль проводника длиной 20,0 км, движущегося с орбитальной скоростью 7,80 км / с перпендикулярно магнитному полю Земли 5,00 × 10 ⁻⁵ Тл.{3} \ text {V} \ end {array} \\ [/ latex].

Обсуждение

Полученное значение превышает измеренное напряжение 5 кВ для эксперимента с шаттлом, поскольку фактическое орбитальное движение троса не перпендикулярно полю Земли. Значение 7,80 кВ — это максимальная ЭДС, полученная при θ = 90º и sin θ = 1.

Сводка раздела

• ЭДС, индуцированная движением относительно магнитного поля B , называется ЭДС движения и определяется выражением

  ЭДС = Bℓv ( B , ℓ и v перпендикулярно)

  , где ℓ — длина объекта, движущегося со скоростью v относительно поля.

Концептуальные вопросы

1. Почему часть цепи должна перемещаться относительно других частей, чтобы можно было использовать ЭДС движения? Рассмотрим, например, что рельсы на рисунке 1 неподвижны относительно магнитного поля, в то время как стержень движется.
2. Мощную индукционную пушку можно сделать, поместив металлический цилиндр внутри катушки соленоида. Цилиндр принудительно выталкивается при быстром включении тока соленоида. Используйте законы Фарадея и Ленца, чтобы объяснить, как это работает.Почему цилиндр может стать активным / горячим при выстреле из пушки?
3. Индукционная плита нагревает кастрюлю с помощью катушки, по которой проходит переменный ток, расположенной под кастрюлей (и без горячей поверхности). Может ли поверхность печи быть проводником? Почему не работает катушка постоянного тока?
4. Объясните, как можно разморозить замерзшую водопроводную трубу, намотав на нее катушку, по которой проходит переменный ток. Имеет значение, является ли труба проводником? Объяснять.

Задачи и упражнения

1.Используйте закон Фарадея, закон Ленца и RHR-1, чтобы показать, что магнитная сила, действующая на ток в движущемся стержне на Рисунке 1, направлена ​​против его скорости.

2. Если в спутниковом тросе, показанном на рисунке 2, течет ток, используйте закон Фарадея, закон Ленца и RHR-1, чтобы показать, что на трос действует магнитная сила в направлении, противоположном его скорости.

3. (a) Реактивный самолет с размахом крыла 75,0 м летит со скоростью 280 м / с. Какая ЭДС возникает между законцовками крыльев, если вертикальная составляющая поля Земли равна 3?00 × 10 ⁻⁵ T? (б) Может ли ЭДС такой величины иметь какие-либо последствия? Объяснять.

4. (a) Отвертка для цветных металлов используется в магнитном поле 2,00 Тл. Какая максимальная ЭДС может быть индуцирована на его длине 12,0 см, когда он движется со скоростью 6,00 м / с? (б) Вероятно, что эта ЭДС будет иметь какие-либо последствия или даже будет замечена?

5. С какой скоростью должен двигаться скользящий стержень на Рисунке 1, чтобы создать ЭДС 1,00 В в поле 1,50 Тл, учитывая, что длина стержня равна 30.0 см?

6. Штанга длиной 12,0 см на Рисунке 1 движется со скоростью 4,00 м / с. Какова напряженность магнитного поля, если наведена ЭДС 95,0 В.

7. Докажите, что когда B , ℓ и v не взаимно перпендикулярны, ЭДС движения определяется как ЭДС = Bℓv sin θ . Если v перпендикулярно B , тогда θ — это угол между ℓ и B . Если ℓ перпендикулярно B , тогда θ — это угол между v и B .

8. Во время полета космического челнока в августе 1992 г. удалось выпустить только 250 м проводящего троса, рассмотренного в Примере 1 (выше). ЭДС движения 40,0 В генерировалась в поле Земли 5,00 × 10 ⁻⁵ Тл при движении со скоростью 7,80 × 10 ³ м / с. Каков угол между скоростью шаттла и полем Земли, если предположить, что проводник перпендикулярен полю?

9. Integrated Concepts Выведите выражение для тока в системе, подобной показанной на рисунке 1, при следующих условиях.Сопротивление между рельсами составляет R , рельсы и подвижный стержень идентичны по сечению A, ​​ и имеют одинаковое удельное сопротивление ρ . Расстояние между рельсами l, а шток движется с постоянной скоростью v перпендикулярно однородному полю B . В нулевой момент времени движущийся стержень находится рядом с сопротивлением R .

10. Integrated Concepts Привязанный спутник на Рисунке 2 имеет массу 525 кг и находится в конце 20-го числа.Кабель длиной 0 км, диаметром 2,50 мм с прочностью на разрыв стальной. (a) Насколько растягивается кабель, если приложить усилие 100 Н, чтобы втянуть спутник? (Предположим, что спутник и шаттл находятся на одной высоте над Землей.) (B) Какова эффективная силовая постоянная кабеля? (c) Сколько энергии сохраняется в нем при растяжении силой 100 Н.

11. Integrated Concepts Привязанный спутник, обсуждаемый в этом модуле, вырабатывает 5,00 кВ и ток 10.0 А течет. (а) Какую силу магнитного сопротивления это создает, если система движется со скоростью 7,80 км / с? (б) Сколько кинетической энергии уходит из системы за 1,00 ч, если не учитывать какие-либо изменения высоты или скорости за это время? (c) Каково изменение скорости, если масса системы составляет 100 000 кг? (d) Обсудите долгосрочные последствия (например, недельный полет) на орбите космического челнока, отметив, какой эффект имеет снижение скорости, и оценив величину этого эффекта.

Избранные решения проблем и упражнения

1.(а) 0,630 В (б) Нет, это очень малая ЭДС.

5. 2,22 м / с

11. (a) 10,0 N (b) 2,81 × 10 ⁸ J (c) 0,36 м / с (d) Для недельной миссии (168 часов) изменение скорости будет 60 м / с, или примерно 1%. В общем, уменьшение скорости приведет к тому, что орбита начнет вращаться по спирали внутрь, потому что скорости больше не будет достаточно для поддержания круговой орбиты. Долгосрочные последствия состоят в том, что шаттлу потребуется немного больше топлива для поддержания желаемой скорости, в противном случае орбита будет слегка закручиваться внутрь.

8.2: Электромагнитная индукция — Физика LibreTexts

Когда электропроводящая структура подвергается воздействию изменяющегося во времени магнитного поля, в структуре индуцируется разность электрических потенциалов. Это явление известно как электромагнитная индукция . Удобное введение в электромагнитную индукцию дает закон Ленца. В этом разделе объясняется электромагнитная индукция в контексте закона Ленца и приводятся два примера.

Начнем с примера, изображенного на рисунке \ (\ PageIndex {1} \), с цилиндрической катушкой.К клеммам катушки прикреплен резистор, для которого мы можем определить разность электрических потенциалов \ (V \) и ток \ (I \). В данном конкретном случае соглашения о знаках, указанные для \ (V \) и \ (I \), произвольны, но важно, чтобы они были согласованы, как только они будут установлены.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): эксперимент, демонстрирующий электромагнитную индукцию и закон Ленца. ((изменено) CC BY 4.0; Y. Qin)

Теперь давайте представим стержневой магнит, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).Магнит центрируется вдоль оси катушки справа от катушки, а его северный полюс обращен к катушке. Магнит отвечает за плотность магнитного потока \ ({\ bf B} _ {imp} \). Мы называем \ ({\ bf B} _ {imp} \) магнитным полем под давлением , потому что это поле существует независимо от любой реакции, которая может быть вызвана взаимодействием с катушкой. Обратите внимание, что \ ({\ bf B} _ {imp} \) указывает влево внутри катушки.

Эксперимент состоит из трех тестов. В двух из этих тестов мы обнаружим, что ток течет (т.е., \ (\ left | I \ right |> 0 \)), и, следовательно, из-за этого тока возникает индуцированное магнитное поле \ ({\ bf B} _ {ind} \). Это направление тока и, следовательно, направление \ ({\ bf B} _ {ind} \) внутри катушки, которое мы хотим наблюдать. Результаты обобщены ниже и в таблице \ (\ PageIndex {1} \).

• Когда магнит неподвижен, неудивительно, что в катушке нет тока. Следовательно, магнитное поле не индуцируется, а полное магнитное поле просто равно \ ({\ bf B} _ {imp} \).
• Когда магнит перемещается на к катушке , мы наблюдаем положительный ток по отношению к опорному направлению, указанному на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Этот ток создает индуцированное магнитное поле \ ({\ bf B} _ {ind} \), которое указывает на правый , как предсказано магнитостатическими соображениями из правила правой руки. Поскольку \ ({\ bf B} _ {imp} \) указывает влево, кажется, что индуцированный ток противодействует увеличению величины общего магнитного поля.
• Когда магнит перемещается на от от катушки, мы наблюдаем отрицательный ток по отношению к опорному направлению, указанному на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Этот ток дает \ ({\ bf B} _ {ind} \), который указывает на , левый . Поскольку \ ({\ bf B} _ {imp} \) указывает влево, кажется, что индуцированный ток противодействует уменьшению величины общего магнитного поля.

Таблица \ (\ PageIndex {1} \): результаты эксперимента, связанного с рисунком \ (\ PageIndex {1} \)

Неподвижный	постоянная	\ (V = 0 \), \ (I = 0 \)	нет
Движение к катушке	увеличение	\ (V> 0 \), \ (I> 0 \)	Направление вправо
Движение от катушки	убывающая	\ (V <0 \), \ (I <0 \)	Направление влево

Первый вывод, который можно сделать из этого эксперимента, заключается в том, что изменения в магнитном поле могут индуцировать ток.Это утверждение было сделано в первом абзаце этого раздела и является следствием закона Фарадея, который подробно рассматривается в разделе 8.3. Второй вывод, также связанный с законом Фарадея, является сутью этого раздела: индуцированное магнитное поле, то есть вызванное током, индуцированным в катушке, всегда противодействует изменению приложенного магнитного поля. Обобщающий:

Закон Ленца гласит, что ток, который индуцируется изменением приложенного магнитного поля, создает индуцированное магнитное поле, которое противодействует (действует, уменьшая эффект) изменению общего магнитного поля.

Когда магнит движется, происходят три вещи: (1) индуцируется ток, (2) индуцируется магнитное поле (которое добавляет к приложенному магнитному полю), и (3) значение \ (V \) становится ненулевым. -нуль. Закон Ленца не определяет, какие из них непосредственно реагируют на изменение магнитного поля, а какие просто реагируют на изменения других величин. Закон Ленца может оставить у вас неверное впечатление, что это индуцируется \ (I \), и что \ ({\ bf B} _ {ind} \) и \ (V \) просто реагируют на этот ток.На самом деле индуцированная величина на самом деле равна \ (V \). Это можно проверить в приведенном выше эксперименте, заменив резистор на вольтметр с высоким сопротивлением, который покажет, что \ (V \) изменяется, даже если ток протекает незначительно. Текущий поток — это просто реакция на индуцированный потенциал. Тем не менее, неофициально принято говорить, что «\ (I \) индуцируется», даже если это происходит только косвенно через \ (V \).

Итак, если закон Ленца — это просто наблюдение, а не объяснение лежащей в основе физики, тогда для чего он нужен? Закон Ленца часто бывает полезен для быстрого определения направления тока в практических задачах электромагнитной индукции, не прибегая к математике, связанной с законом Фарадея.Вот пример:

Пример \ (\ PageIndex {1} \): Электромагнитная индукция через трансформатор

На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показана простейшая схема, состоящая из батареи и переключателя слева, вольтметра справа и трансформатора, соединяющего их.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Электромагнитная индукция через трансформатор. (CC0 1.0 (измененный))

Чтобы следовать этому примеру, необязательно знать трансформаторы; Достаточно сказать, что рассматриваемый здесь трансформатор состоит из двух катушек, намотанных вокруг общего тороидального сердечника, который служит для сдерживания магнитного потока.Таким образом, поток, генерируемый одной катушкой, передается другой катушке с незначительными потерями.

Эксперимент начинается с переключателя слева в разомкнутом состоянии. Таким образом, в катушке слева нет тока и магнитного поля. Вольтметр показывает 0 В. Что происходит при включении переключателя?

Решение

Замыкание переключателя создает ток в катушке слева. Учитывая указанную полярность батареи, этот ток течет против часовой стрелки через цепь слева, при этом ток поступает в левую катушку через нижний вывод.Учитывая указанное направление обмотки в левой катушке, магнитное поле \ ({\ bf B} _ {imp} \) направлено против часовой стрелки через тороидальный сердечник. Катушка справа «видит» увеличение \ ({\ bf B} _ {imp} \) от нуля до некоторого большего значения. Поскольку вольтметр предположительно имеет высокий входной импеданс, протекает незначительный ток. Однако, если бы ток мог течь, закон Ленца предписывает, что он будет индуцироваться течением против часовой стрелки вокруг цепи справа, поскольку индуцированное магнитное поле \ ({\ bf B} _ {ind} \) тогда будет направлено по часовой стрелке, чтобы противодействовать увеличению \ ({\ bf B} _ {imp} \).Следовательно, потенциал, измеренный в нижней части правой катушки, будет выше, чем потенциал в верхней части правой катушки. На рисунке показано, что вольтметр измеряет потенциал на своем правом выводе относительно его левого вывода, поэтому стрелка будет отклоняться вправо. Это отклонение будет временным, поскольку ток, обеспечиваемый батареей, становится постоянным при новом ненулевом значении и \ ({\ bf B} _ {ind} \) реагирует только на изменение в \ ({\ bf B } _ {имп} \). Показание вольтметра будет оставаться равным нулю, пока переключатель остается замкнутым, а ток остается постоянным.

Вот несколько следующих упражнений, чтобы проверить ваше понимание того, что происходит: (1) Теперь откройте переключатель. Что происходит? (2) Повторите первоначальный эксперимент, но перед началом поменяйте местами клеммы аккумулятора.

Наконец, стоит отметить, что закон Ленца также может быть выведен из принципа сохранения энергии. Аргумент состоит в том, что если индуцированное магнитное поле усиливает изменение приложенного магнитного поля, то суммарное магнитное поле увеличится.Это приведет к дальнейшему увеличению индуцированного магнитного поля, что приведет к положительной обратной связи. Однако положительная обратная связь не может поддерживаться без внешнего источника энергии, что приводит к логическому противоречию. Другими словами, принцип сохранения энергии требует отрицательной обратной связи , описываемой законом Ленца.

Авторы и авторство

.

No related posts.