Физика
Майкл Фарадей

Биография Великого физика

Многие видели в нем властелина молний и короля физиков, а он оставался скромным преподавателем, верил в Бога и преклонялся перед великими тайнами Природы.
  • Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в небольшом городке Ньюингтон-Баттс, рядом с Лондоном, отца мальчика звали Джеймс Фарадей, он трудился кузнецом, мама – Маргарет Фарадей.

    Всего в семье было четверо детей, кроме будущего ученого в ней подрастали сын Роберт и две дочери – Элизабет и Маргарет, особых доходов у них не было, жили исключительно на зарплату отца, поэтому могли позволить себе не так и много.

    Из-за сложного материального положения Майклу пришлось бросить школу в 13 лет и найти себе работу, его приняли в книжную лавку переплетчиком, лавка принадлежала французу-эмигранту Рибо - так начиналась трудовая биография великого ученого.

    Мальчик прилежно трудился, переплетал книгу за книгу, но еще больше их читал, он прочел все, что попадалось ему под руку, особенно привлекали его труды по химии и физике, вскоре ему самому захотелось провести эксперимент, чтобы убедиться, что в книге все описано правильно, он придумал первый источник тока, который получил название «Лейденская банка».

    В возрасте 19-ти лет молодой человек вступил в философский клуб, и постоянно присутствовал на лекциях по астрономии и физике, он не боялся высказывать свое мнение по поводу предмета лекций, и именно этим обратил на себя внимание членов ученого сообщества.

    Один из постоянных покупателей книжной лавки – Уильям Денс, подарил Фарадею билет, дававший право посещать лекции по физике и химии, которые читал Гемфри Дэви, Дэви в свое время основал электрохимию, открыл такие химические элементы, как Кальций, Калий, Натрий, Бор, Барий.

    Фарадей тщательно записал лекции Дэви, потом сделал для них красивый переплет и отправил автору в подарок, в сопроводительном письме к подарку он попросил ученого найти для него любую работу в Королевском институте.

    Дэви не остался равнодушным к талантливому юноше, и спустя некоторое время Майкла приняли лаборантом в химическую лабораторию, на тот момент Фарадею исполнилось 22 года, и он имел только начальное образование.

Научная работа

  • Выполняя обязанности лаборанта, Фарадей не упускал возможности прослушивать лекции, в подготовке которых участвовал, также с благословения профессора Дэви молодой человек проводил свои химические опыты, добросовестность и искусность выполнения работы лаборантом сделала его неизменным помощником Дэви.

    В 1813 году Дэви взял Фарадея секретарем в двухлетнее европейское путешествие, во время поездки молодой ученый познакомился со светилами мировой науки: Андре-Мари Ампером, Жозефом Луи Гей-Люссаком, Алессандро Вольта.

    По возвращении в Лондон в 1815 году Фарадей получил должность ассистента.

    Параллельно продолжал любимое дело — ставил собственные опыты, за жизнь Фарадей провел 30 000 экспериментов, в научных кругах за педантичность и трудолюбие получил звание «короля экспериментаторов» - описание каждого опыта аккуратно заносил в дневники.

    Первое печатное издание Фарадея вышло в 1816 году, труды посвящены химии.

    В 1820 году из ряда экспериментов со сплавами, молодой ученый обнаружил, что сплав стали с добавлением никеля не дает окисления, но результаты опытов прошли мимо металлургов.

    Открытие нержавеющей стали было запатентовано гораздо позже.

    К 1821 году от химии он перешел к физике, Фарадей выступал как сложившийся ученый, приобрел вес в научном сообществе, вышла статья о принципе работы электродвигателя, положившая начало промышленной электротехники.

Электромагнитное поле

  • В 1820-м ученый начал ставить опыты, чтобы выяснить, как взаимодействует электричество и магнитное поле, на то время уже существовало понятие «источник постоянного тока», описанное Вольтом, знали, что такое электрическая дуга, электролиз и электромагнит.

    В это время происходит бурное развитие электростатики и электродинамики, широко известными были результаты опытов Савара, Био, Лапласа, касающиеся магнетизма и электричества.

    В 1821 году свет увидела работа Фарадея «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма», в ней ученый представил опыты с магнитной стрелкой, вращающейся вокруг одного полюса, т. е. осуществил превращение электрической энергии в механическую.

    Фактически он представил первый в мире, пусть и примитивный, электрический двигатель.

    После открытия 1821 года десять лет ученый не издавал трудов, в 1831 году он стал профессором Вулиджа (военная академия), в 1833 году — профессором химии Королевского института, проводил научные диспуты, читал лекции в научных собраниях.

    Победа пришла 29 августа 1831 года.

    Устройство, позволившее Фарадею сделать гениальное открытие, состояло из железного кольца и множества витков проволоки из меди, намотанной на две его половины, в цепи одной половины кольца, замкнутой проволокой, находилась магнитная стрелка.

    Вторая обмотка подключалась к батарее питания, при включении тока магнитная стрелка совершала колебания в одну сторону, а при выключении — в другую, Фарадей заключил, что магнит способен преобразовывать магнетизм в электрическую энергию.
Однако главной заслугой Фарадея является разработка концепции электромагнитного поля (сам этот термин впервые употребил Фарадей), если до него господствовало представление о прямом и мгновенном взаимодействии зарядов и токов через пустое пространство, то Фарадей последовательно развивал идею о том, что существует материальный переносчик этого взаимодействия - электромагнитное поле.
  • Концепция поля является фундаментом современной физики, при этом Фарадей категорически не любил формулы – физику он понимал «на пальцах», видя за проводимыми им экспериментами взаимосвязи причин и явлений, именно этот взгляд и позволил ему сформулировать концепцию электромагнитного поля (да и сам термин – поле – впервые употребил Фарадей).

    Электромагнитное поле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты.

Закон Фарадея - Закон электромагнитной индукции Фарадея

  • Электромагнитная индукция — явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его, явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем , он провел ряд опытов, которые помогли открыть явление электромагнитной индукции.

    1. На одну непроводящую основу намотали две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй, витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй — подключены к источнику тока.

    При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока, при размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.

    2. Первую катушку подключили к источнику тока, а вторую — к гальванометру, при этом вторая катушка перемещалась относительно первой, при приближении или удалении катушки фиксировался ток.

    3. Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется вдвигается (выдвигается) относительно катушки.

Вот, что показали эти опыты:


  • Индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции;
  • Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении;
  • Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока, может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

  • Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) звучит так:


    ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.


    Математически формула выглядит следующим образом:

    Ɛi = – ∆Ф/∆t

    Где:

    • Ɛi - ЭДС индукции [В];
    • ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с].

    Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока, индукционный ток в замкнутом контуре всегда направлен так, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.


    Если контур состоит из ​N витков (то есть он — катушка), то ЭДС индукции будет вычисляться следующим образом:

    Ɛi = – N*∆Ф/∆t

    Где:

    • Ɛi - ЭДС индукции [В];
    • ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с];
    • N — количество витков [-].
Хотя полное теоретическое обоснование закона Фарадея достаточно громоздко, его связь с действующей на заряженную частицу магнитной силой очевидна.

  • Опыт Фарадея. Электромагнитная индукция в катушке, через которую перемещается магнит.


    Ключевой опыт, позволивший Майклу Фарадею вывести свой закон, достаточно прост, его можно с лёгкостью повторить при помощи подручных материалов, Фарадей взял картонную трубку и намотал на неё провод, чтобы образовалась катушка, к проводу был подключён вольтметр, который фиксировал индуцированную ЭДС при перемещении внутри трубки постоянного магнита.

    Схема опыта показана на изображение.

    Во время опыта были сделаны следующие наблюдения:

    • Магнит находится внутри или около катушки в состоянии покоя, напряжение не фиксируется;
    • Магнит перемещается в сторону катушки, фиксируется напряжение, достигающее максимума при приближении магнита к центру катушки;
    • Магнит проходит через центр катушки, напряжение резко меняет знак;
    • Магнит выходит из катушки и удаляется от неё, фиксируется напряжение, имеющее противоположный знак по сравнению с тем, когда магнит входил в катушку.

График зависимости ЭДС от положения магнита показан на риcунке.
Эти наблюдения согласуются с законом Фарадея, хотя неподвижный магнит может создавать большое и сильное магнитное поле, ЭДС не индуцируется, поскольку магнитный поток в катушке не меняется, по мере приближения магнита к катушке поток резко возрастает до момента, когда магнит оказывается внутри катушки.

После прохождения магнитом середины катушки магнитный поток начинает уменьшаться, и, как следствие, ЭДС меняет направление.

Первый трансформатор

  • Трансформатор - это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем, без изменения частоты.

    В августе 1831 года Фарадею пришло в голову расположить две обмотки на противоположных сторонах железного кольца, что представляло собой примитивный вариант трансформатора.

    Изобретение напоминало две половины железной баранки, стороны которой были обмотаны длинным куском проволоки, половины ученый расположил друг напротив друга.

    Фарадей пропустил ток по проводу одного полукольца 29 августа 1831 года.

    При подключении к зажимам одной обмотки батареи гальванических элементов, начинал отклоняться гальванометр на зажимах другой обмотки, так как Фарадей работал с постоянным током, то при достижении в первичной обмотке максимального значения тока, ток во вторичной обмотке исчезал и для возобновления эффекта трансформации требовалось отключить и снова подключить батарею к первичной обмотке.

    Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах М. Фарадея и Д. Генри, однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока.
В трех представленных случаях проволока замыкается на гальванометр:

  • a) Если мы приближаем магнит к кабелю и удаляем от него, в кабеле появляется ток;
  • b) Если к кабелю подключается или отключается ток, он индуцируется на соседний кабель;
  • с) Если магнит вращать вокруг кабеля, в нем появляется ток.