Faradayn löytämä sähköinen induktio

Faraday, 1800-luvun suurin sähkön ja magnetismin kokeilija ja yksi kaikkien aikojen suurimmista kokeellisista fyysikoista, työskenteli 10 vuotta yrittäen todistaa, että magneetti voi indusoida sähköä. Vuonna 1831 hän lopulta onnistui siinä käyttämällä kahta lankakäämiä, jotka oli kierretty pehmeästä raudasta tehdyn renkaan vastakkaisille puolille (kuva 7). Ensimmäinen kela oli kiinnitetty paristoon; kun kelan läpi kulki virta, rautarengas magnetoitui. Toisen kelan johto ulotettiin metrin päässä olevaan kompassineulaan, joka oli riittävän kaukana, jotta ensimmäisen piirin virta ei vaikuttanut siihen suoraan. Kun ensimmäinen virtapiiri kytkettiin päälle, Faraday havaitsi kompassineulan hetkellisen taipumisen ja sen välittömän paluun alkuperäiseen asentoonsa. Kun primaarivirta kytkettiin pois päältä, kompassineula taipui samalla tavalla, mutta vastakkaiseen suuntaan. Faraday osoitti tämän havainnon pohjalta muissa kokeissa, että ensimmäisen kelan ympärillä olevan magneettikentän muutokset saavat aikaan virran toisessa kelassa. Hän osoitti myös, että sähkövirta voidaan synnyttää liikuttamalla magneettia, kytkemällä sähkömagneetti päälle ja pois päältä ja jopa liikuttamalla sähköjohtoa Maan magneettikentässä. Muutamassa kuukaudessa Faraday rakensi ensimmäisen, joskin alkeellisen sähkögeneraattorin.

Faradayn magneettisen induktion koe

Kuva 7: Faradayn magneettisen induktion koe. Kun kytkin S suljetaan ensiöpiirissä, toisiopiirissä kulkee hetkellinen virta, joka antaa kompassineulalle M ohimenevän poikkeaman.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Henry oli keksinyt sähköisen induktion melko itsenäisesti vuonna 1830, mutta hänen tuloksensa julkaistiin vasta sen jälkeen, kun hän oli saanut uutisen Faradayn vuoden 1831 työstä, eikä hän myöskään kehittänyt keksintöään yhtä täydellisesti kuin Faraday. Heinäkuussa 1832 julkaistussa artikkelissaan Henry raportoi itseinduktiosta ja tulkitsi sitä oikein. Hän oli saanut aikaan suuria valokaaria pitkästä kierrejohtimesta, kun se oli irrotettu akusta. Kun hän oli avannut virtapiirin, virran nopea väheneminen oli aiheuttanut suuren jännitteen akun napan ja johtimen välille. Kun johdon johto vedettiin irti paristosta, virta jatkoi virran kulkua lyhyen aikaa kirkkaana valokaarena pariston napan ja johdon välillä.

Faradayn ajattelua läpäisi sähköisten ja magneettisten voimaviivojen käsite. Hän visualisoi, että magneetit, sähkövaraukset ja sähkövirrat tuottavat voimaviivoja. Kun hän asetti magneetin päälle rautahiutaleilla päällystetyn ohuen kortin, hän näki, että rautahiutaleet muodostivat ketjuja magneetin toisesta päästä toiseen. Hän uskoi, että nämä viivat osoittivat voimien suunnat ja että sähkövirralla olisi samat voimaviivat. Niiden muodostama jännite selittää magneettien ja sähkövarausten vetovoiman ja hylkimisen. Faraday oli visualisoinut magneettikäyrät jo vuonna 1831 työskennellessään induktiokokeidensa parissa; hän kirjoitti muistiinpanoihinsa: ”Magneettikäyrillä tarkoitan magneettisten voimien linjoja, joita rautahiutaleet kuvaisivat”. Faraday vastusti vallitsevaa ajatusta, jonka mukaan induktio tapahtui ”etäisyydellä”; sen sijaan hän katsoi, että induktio tapahtuu kaarevia voimaviivoja pitkin vierekkäisten hiukkasten vaikutuksesta. Myöhemmin hän selitti, että sähkö ja magnetismi välittyvät väliaineen kautta, joka on sähköisten tai magneettisten ”kenttien” paikka, jotka tekevät kaikista aineista jossain määrin magneettisia.

Faraday ei ollut ainoa tutkija, joka loi pohjan synteesille sähkön, magnetismin ja muiden fysiikan alojen välillä. Euroopan mantereella, pääasiassa Saksassa, tutkijat tekivät matemaattisia yhteyksiä sähkön, magnetismin ja optiikan välille. Fyysikot Franz Ernst Neumann, Wilhelm Eduard Weber ja H.F.E. Lenz kuuluivat tähän ajanjaksoon. Samaan aikaan Helmholtz ja englantilaiset fyysikot William Thomson (myöhemmin lordi Kelvin) ja James Prescott Joule selvittivät sähkön ja muiden energiamuotojen välistä suhdetta. Joule tutki 1840-luvulla sähkövirran ja lämmön välistä kvantitatiivista suhdetta ja muotoili teorian sähkövirran kulkuun johtimissa liittyvistä lämmitysvaikutuksista. Helmholtz, Thomson, Henry, Gustav Kirchhoff ja Sir George Gabriel Stokes laajensivat myös teoriaa sähkövaikutusten johtumisesta ja etenemisestä johtimissa. Vuonna 1856 Weber ja hänen saksalainen kollegansa Rudolf Kohlrausch määrittivät sähköisen ja magneettisen yksikön suhteen ja havaitsivat, että sillä on samat mitat kuin valolla ja että se on lähes täsmälleen yhtä suuri kuin sen nopeus. Vuonna 1857 Kirchhoff käytti tätä havaintoa osoittaakseen, että sähköiset häiriöt etenevät hyvin johtavassa johdossa valon nopeudella.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.