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).