6.3. Електромагнетизм. Електромагнітна індукція

Як правило, починаючи з часів Гільберта, вчені стали виводити закони природи зі своїх експериментів. Оскільки ніякого зв'язку між магнітом і зарядженим провідником не помічалося, то довгий час вважалося, що ніякого зв'язку між електричними і магнітними явищами не існує. Тому, коли в 1802 році італійський фізик Джованні Романьозі (1761–1835) помітив, що магнітна стрілка, котра знаходиться поблизу провідника, яким тече струм, змінює свій напрям, то він абсолютно не оцінив значення свого спостереження.
У 1883 році у Відні проводилася електрична виставка. На ній данці виставили маленький компас. Непомітна річ лежала в стороні від основного потоку відвідувачів. А по справедливості слід було б цей компас помістити в центр виставки, оскільки від цього компаса одержала свій початок вся електротехніка. 

Повторно на початку 1820 року першовідкривач електромагнетизму датський фізик Ганс Християн Ерстед зробив відкриття абсолютно нового електричного явища, яке полягало в тому, що при проходженні струму через провідник навколо нього утворюється магнітне поле.

На одній із своїх лекцій з фізики він вирішив продемонструвати своїм студентам відсутність зв'язку між електрикою і магнетизмом, включивши електричний струм поблизу магнітної стрілки. За словами одного із слухачів, Ерстед був абсолютно приголомшений, побачивши, як магнітна стрілка після включення струму почала здійснювати коливання. Ерстед зумів відмовитися від своїх колишніх переконань (і це є його великою заслугою) і випадкове спостереження прийняти за експериментально встановлений факт.

З'єднавши довгим дротом полюси гальванічної батареї, Ерстед протягнув дріт горизонтально і паралельно до підвішеної вільно магнітної стрілки. Як тільки включали струм, стрілка негайно відхилялася, прагнучи стати перпендикулярно до напряму дроту. При зміні напряму струму стрілка відхилялася в інший бік (мал. 6.5, 6.6). Своїми дослідами Ерстед довів, що струм створює в оточуючому його просторі магнітну дію. Результати дослідження Ерстед виклав в своєму знаменитому мемуарі «Про дію електричного конфлікту на магнітну стрілку». У цій праці «електричним конфліктом» був названий електричний струм.

Ганс Християн Ерстед (1777–1851) відомий своїми працями по електриці, акустиці, молекулярній фізиці. Вступивши в Копенгагенський університет, він вивчає медицину, фізику, астрономію, філософію, поезію. У 1806 році стає професором Копенгагенського університету. 

Ця невелика, загалом в п'ять сторінок, праця Ерстеда в цьому ж році була видана в Копенгагені на шести мовах. Самі досліди його були повторені восени 1820 року швейцарським природодослідником де ля Рівом на з'їзді природодослідників у Женеві. На цьому з'їзді був присутній член Паризької академії наук Араго, який після повернення на засіданні академії показав дослід Ерстеда, де його вперше і побачив Андре Ампер. До кінця 1820 року Араго провів ряд досліджень, з яких найбільш важливим було відкриття в 1824 році явища захоплення мідного диску магнітом, що обертався поблизу нього. Це явище, назване «магнетизмом обертання», довгий час залишалося лише ефектним фізичним дослідом. Пізніше воно послужило основою багатьох практичних винаходів і, зокрема, електродвигуна змінного струму.

Мал. 6.5. Ерстед демонструє відхилення магнітної стрілки під дією електричного струму (за рисунком Р. Шторха)

Відкриття взаємодії між струмом і магнітом було важливим кроком на шляху утвердження ідеї єдності сил природи і стало початком нової епохи у вченні про електрику і магнетизм. Ця взаємодія зіграла важливу роль в розвитку техніки фізичного експерименту. Адже по відхиленню магнітної стрілки можна було судити про силу електричного струму, який проходив поблизу неї.

Повідомлення Ерстеда вразило його сучасників. Кожен, хто мав в своєму розпорядженні компас і найпростіше джерело струму, прагнув на власні очі побачити загадкове відхилення магнітної стрілки. У серпні 1820 року ще відносно молодий і не цілком досвідчений, але такий, що став згодом великим, англійський фізик Майкл Фарадей повторив ці досліди, переконавшись, що Ерстед правий: протікання струму в дроті неминуче викликало відхилення розміщеної поблизу магнітної стрілки. Але правильно витлумачити результати дослідів Ерстеда судилося не Фарадею, а французькому фізику Андре Амперу, що дізнався про досліди Ерстеда на місяць пізніше Фарадея. Цей «докучливий розумник Ампер» випередив всіх, створивши всього за два тижні свою струнку теорію утворення магнетизму за рахунок електрики.

У тому ж 1820 році Ампер виступає з повідомленням про нове явище – взаємодію двох провідників, якими тече струм, і встановлює закон цієї взаємодії (пізніше названий законом Ампера). У цьому повідомленні вчений робить висновок, що «всі магнітні явища зводяться до чисто електричних ефектів». Згідно з гіпотезою Ампера, будьякий магніт містить усередині себе безліч кругових електричних струмів, дією яких і пояснюються магнітні сили.

Мал. 6.6. Відхилення магнітної стрілки під дією струму

Протягом дуже короткого часу він виконав ряд важливих досліджень, що блискуче підтверджували його думки. Пізніше всі одержані результати були систематизовані Ампером в його книзі «Теорія електродинамічних явищ, виведена винятково з досвіду», опублікованій в 1826 році.

Ампер не тільки здогадався, що при вивченні магнітної взаємодії потрібно перш за все досліджувати взаємодію електричних струмів, але сам тут же зайнявся експериментальними дослідженнями цієї взаємодії. Зокрема, Ампер експериментально встановив, що два провідники, розташовані паралельно один одному, зазнають взаємного притягання при пропусканні через них електричного струму в одному напрямі та відштовхуються, якщо струми мають протилежні напрями. Сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом (сила Ампера), пропорційна довжині провідника зі струмом, величині струму, що проходить провідником, і залежить від орієнтації провідника в магнітному полі.

Андре Марі Ампер (1775–1836). Проводячи дитинство і отроцтво в маєтку свого батька, Ампер ґрунтовно вивчив всі 20 томів енциклопедичного словника, що видавався Д'Аламбером і Дідро. До 12 років Ампер самостійно розібрався в основах вищої математики – диференціальному численні, навчився інтегрувати, а у віці 13 років вже представив свої перші роботи по математиці в Ліонську академію! Саме Амперу належить заслуга введення в науку термінів «електростатика», «електродинаміка», «електрорушійна сила», «напруга», «гальванометр», «електричний струм» і навіть... «кібернетика».

Напрям вектора сили Ампера визначається правилом лівої руки, відповідно до якого необхідно розташувати ліву руку так, щоб чотири пальці вказували напрям струму в провіднику, а вектор магнітної індукції входив би в долоню перпендикулярно. Тоді великий палець, відігнутий під прямим кутом в площині долоні, вказуватиме напрям вектору сили Ампера.

Пройшли ще два роки, і Ампер відкрив магнітний ефект котушки зі струмом. «Вся кий провідник зі струмом, – писав Ампер, – створює навколо себе магнітне поле, сило ві лінії якого утворюють круги, концен тричні щодо середньої лінії провідника, що лежать в площинах, нормальних до еле ментів провідника». Магнітна дія електричного струму ще більш посилюється, коли провідний дріт скручений в декілька паралельних кілець, ізольованих одне від одного. Таку форму провідника Ампер запропонував назвати соленоїдом.

Соленоїд Ампера (мал. 6.7) є повною подібністю магніту. Вмістивши його кінці S1 і S2 у судини з ртуттю так, щоб весь соленоїд міг вільно обертатися навколо вертикальної осі, що проходить через S1 і S2, та пропустивши через нього струм, Ампер встановив, що він, як звичайний магніт, розміщується по осьовому напряму в площині магнітного меридіану. Якщо наблизити до соленоїда магніт, то одним кінцем соленоїд буде до нього притягуватися, а від іншого – відштовхуватися, причому напрям притягання і відштовхування залежить від напряму струму в соленоїді.Мал. 6.7. Соленоїд Ампера 6.8. Соленоїд із залізним сердечником Мал. 6.9. Електромагніт

Встановлене Ампером співвідношення між струмом і магнітом навело його на думку шукати причину магнетизму у виникненні молекулярних гальванічних струмів, оточуючих кожну частинку магнітного тіла. Металевий стрижень, будучи вміщеним всередину спірально скрученого ізольованого дроту (мал. 6.8), значно збільшує дію останнього на магніт або на інший провідник зі струмом. Сам стрижень при цьому також намагнічується, утворюючи південний і північний полюси. За правилом, встановленим Ампером, північний полюс утворюється на тому кінці стрижня, який буде зліва у спостерігача, що переміщується по напряму струму і обернутого лицем до магнітного стрижня. Слідуючи цьому правилу, можна визначити, що у стрижня на мал. 6.8 південний полюс буде знаходитися зліва, а північний – справа.

Експериментуючи з різними матеріалами, Ампер встановив, що м'яке залізо втрачає весь магнетизм відразу після припинення струму, а сталь, навпаки, зберігає магнітні властивості довгий час після припинення струму. Ще кращий ефект досягається з використанням електромагнітів – залізних стрижнів, оточених дротяною спіральною обмоткою, якою пропускається електричний струм (мал. 6.9).

Поки продовжується циркуляція струму, ним можна користуватися як звичайним магнітом. При цьому струм повинен бути пропущений в напрямі, вказаному стрілками. Сила магніту збільшується зі збільшенням числа витків обмотки і величини струму, який протікає по ній. На мал. 6.10 представлений один із зразків промислових електромагнітів, що є двома вертикальними залізними циліндричними сердечниками, укріпленими на горизонтальній залізній основі. Кожний із сердечників оточений трьома обмотками з окремими виводами, завдяки яким можна застосовувати послідовне, паралельне або змішане з'єднання обмоток.

Явище електромагнетизму було абсолютно новою областю, якою почали зай матися фізики дослідники. Найбільш видатні відкриття в цій області припали на долю знаменитого англійського фізика Майкла Фарадея.

Одержимий ідеями про нерозривний зв'язок і взаємовплив сил природи, Фарадей безуспішно намагався якимсь чином показати, що якщо за допомогою електрики Ампер міг створювати магніти, так само за допомогою магнітів можна створювати електрику. Логіка його була проста: механічна робота легко переходить в тепло і, навпаки, тепло можна перетворити в механічну роботу (скажімо, в паровозі). Якщо за допомогою електрики одержують магнетизм, то, мабуть, можливо «одержати електрику із звичайного магнетизму». Таке ж завдання поставив перед собою і Ампер в Парижі, але він незабаром вирішив, що завдання безнадійне.

Мал. 6.10. Промисловий електромагніт

Майкл Фарадей (1791–1867) «Син коваля, помічник палітурника в своїй ранній юності, – писав про Фарадея відомий російський фізик О.Г. Столєтов, – Фарадей закінчив життя членом всіх вчених товариств, безперечно визнаним главою фізиків свого часу. Ніколи з часів Галілея світ не бачив стільки вражаючих і різноманітних відкриттів, що вийшли з однієї голови, і навряд чи скоро побачить іншого Фарадея».
У 1831 році на лекції в Королівському інституті англійський фізик Майкл Фарадей пояснює відкрите ним явище електромагнітної індукції. Учений ясно уявляє практичну значущість свого відкриття. На питання майбутнього прем'єр-міністра Гладстона, присутнього при поясненні, «Яка ж врешті-решт від всього цього користь?» Фарадей з гідністю відповів:
«Сер, не позбавлено можливості, що ще за мого життя зі всього цього ви витягувати мете податки». Через декілька днів після відкриття електромагнітної індукції Фарадей накидає пером на папері та будує перший в світі електрогенератор. Дуже цікаво, що Фарадей винайшов уніполярний генератор, тобто найбільш складний за принципом дії зі всіх генераторів, відомих сьогодні. Ще цікавіше, що такий самий за принципом дії генератор Фарадей міг одержати 9 років тому. Варто було йому самому почати крутити навколо магніту дротинку свого першого двигуна, а не чекати, поки вона закрутиться при пропусканні струму, і він мав би електрогенератор! Адже зараз кожному школяреві відомо, що електродвигун і електрогенератор є оборотними. Але Фарадей не здогадався покрутити дротинку навколо магнітика...

Блискуча майстерність Фарадея-експериментатора і його одержимість дали результат: через 11 років після дослідів Ерстеда, 17 жовтня 1831 року він, швидко всуваючи залізний сердечник в котушку, переконався в тому, що в якийсь момент в ланцюзі котушки виникає струм. Будь прилад Фарадея не на очах у нього або у його асистента в той самий момент, коли він вставляв сердечник, невідомо, скільки часу йому довелося б битися над своїм завданням.

Цікаво, що до Фарадея абсолютно такі ж досліди проводив Ампер. Щоб уникнути помилок, пов'язаних зі струсом приладів, і Фарадей, і Ампер вмістили вимірювальний прилад в окрему кімнату. Різниця, здавалося б, була дуже невеликою: Ампер спочатку всував сердечник, а потім прямував у сусідню кімнату подивитися, чи не з'явився струм. Поки Ампер йшов з кімнати в кімнату, струм, який виникає лише під час всування залізного сердечника в котушку, тобто під час зміни магнітного поля в часі, вже заспокоювався, і Ампер, перейшовши в сусідню кімнату, переконувався в тому, що «ніякого ефекту немає». Фарадей же працював з асистентом. Можна знову і знову повторювати: «І від цих випадкових обставин залежало велике відкриття!». Дослідження Ампера довели, що котушка, якою йшов струм від гальванічної батареї, володіє властивостями магніту. І Фарадей зрозумів, що завдання «перетворити на електрику магнетизм» вже вирішено. Він узяв залізне кільце, обмотав його в двох місцях мідним дротом, ізольованим від кільця, одну обмотку включив в ланцюг з гальванічним джерелом, а іншу з'єднав з гальванометром. У мить, коли він пускав струм по одній обмотці, магнітна стрілка гальванометра раптово відхилялася. Отже, в сполученій з ним обмотці проходив у цей момент струм. Фарадею вдалося навіть вперше одержати іскру індукційного струму, зближуючи кінці дроту розімкненої обмотки.

У результаті дослідів Фарадей виявив, що коли рухомий провідник перетинає силові лінії магнітного поля, в провіднику під дією електромагнітної індукції наводиться електрорушійна сила (е.р.с.), що викликає струм в колі, в яке входить цей провідник. Він першим запровадив уявлення про магнітні силові лінії, сукупність яких складає магнітне поле як фізичну реальність. Наведена е.р.с. змінюється прямо пропорційно швидкості руху, числу провідників, а також напруженості магнітного поля. Інакше кажучи, наведена е.р.с. прямо пропорційна швидкості руху провідника і кількості силових ліній, що перетинаються провідником в одиницю часу. Таким чином, досліди Фарадея показали, що електромагнітна індукція виникає як в нерухомому провіднику, що знаходиться в змінному магнітному полі, так і в провіднику, який переміщується в постійному магнітному полі. Ним було доведено, що наведення струму має місце тільки при русі провідника упоперек магнітних силових ліній. Звідси випливала можливість генерування електричного струму при переміщенні замкнутого провідника в полі магніту.

Правильно зрозумівши відкрите ним явище, Фарадей поставив інший, вирішальний, дослід. Він вмістив між полюсами сильного магніту мідний диск, який можна було обертати рукою. При обертанні диска в ньому виникав електричний струм, що йшов від центру до периферії. За допомогою металевих провідників, які ковзали по диску в центрі та на колі, струм відводився в зовнішній ланцюг. Так Фарадей здійснив «перетворення магнетизму в електрику».

Подальші дослідження електромагнітної індукції привели до встановлення закону щодо напряму індукованого струму. Цей закон був сформульований в 1832 р. російським академіком Е.Х. Ленцем. Закон Ленца давав можливість передбачати напрям наведеного струму і, крім того, дозволив Ленцу встановити важливий для електротехніки принцип – оборотність генераторного і рухового режимів електричної машини.

Дослідження М. Фарадея, а також роботи Е. Ленца, що сформулював закон, за яким можна було визначити напрям електричного струму, виникаючого в результаті електромагнітної індукції, дали можливість створити перші електромагнітні генератори і електродвигуни.

Переміщуючи вручну одиночний провідник або дротяну котушку в магнітному полі, великих струмів одержати не можна. Ефективнішим способом є намотування дроту на велику котушку або виготовлення котушки у вигляді барабану. Котушку потім насаджують на вал, що розташовується між полюсами  магніту і обертається силою води або пари. Так, по суті, і зроблений сучасний генератор електричного струму, який відноситься до механічних джерел електричного струму і активно використовується людством в даний час.

Генератори змінного струму на заводі, що розміщений в невеликому місті Йолотан у сучасному Туркменістані на річці Мургаб. На турбінах видно помітки, які вказують на те, що вони були виготовлені в Угорщині (зі спадщини С.М. Прокудіна-Горського, 1907–1915 рр. Цифрове кольорове зображення. Відділ естампів і фотографій, бібліотека Конгресу США).