Odkrycie indukcji elektrycznej przez Faradaya

Faraday, największy eksperymentator w dziedzinie elektryczności i magnetyzmu XIX wieku i jeden z największych fizyków doświadczalnych wszechczasów, przez 10 lat pracował z przerwami, próbując udowodnić, że magnes może indukować elektryczność. W 1831 roku udało mu się to dzięki zastosowaniu dwóch zwojów drutu nawiniętych po przeciwnych stronach pierścienia z miękkiego żelaza (rysunek 7). Pierwsza cewka była podłączona do baterii; gdy przez cewkę przepływał prąd, żelazny pierścień ulegał namagnesowaniu. Drut z drugiej cewki został przedłużony do igły kompasu oddalonej o metr, na tyle daleko, że nie był on pod bezpośrednim wpływem prądu w pierwszym obwodzie. Gdy włączono pierwszy obwód, Faraday zaobserwował chwilowe odchylenie igły kompasu i jej natychmiastowy powrót do pierwotnego położenia. Po wyłączeniu prądu pierwotnego nastąpiło podobne odchylenie igły kompasu, ale w przeciwnym kierunku. Opierając się na tej obserwacji w innych eksperymentach, Faraday wykazał, że zmiany pola magnetycznego wokół pierwszej cewki są odpowiedzialne za indukowanie prądu w drugiej cewce. Zademonstrował również, że prąd elektryczny można wywołać poruszając magnesem, włączając i wyłączając elektromagnes, a nawet poruszając przewodem elektrycznym w ziemskim polu magnetycznym. W ciągu kilku miesięcy Faraday zbudował pierwszy, choć prymitywny, generator elektryczny.

Doświadczenie Faradaya z indukcją magnetyczną

Rysunek 7: Doświadczenie Faradaya z indukcją magnetyczną. Kiedy przełącznik S jest zamknięty w obwodzie pierwotnym, w obwodzie wtórnym płynie chwilowy prąd, dając chwilowe odchylenie igły kompasu M.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Henry odkrył indukcję elektryczną całkiem niezależnie w 1830 roku, ale jego wyniki zostały opublikowane dopiero po otrzymaniu wiadomości o pracy Faradaya z 1831 roku, ani też nie rozwinął tego odkrycia tak dokładnie jak Faraday. W swojej pracy z lipca 1832 roku Henry opisał i poprawnie zinterpretował zjawisko samoindukcji. Wytworzył on duże łuki elektryczne w długim przewodniku spiralnym, gdy został on odłączony od baterii. Kiedy otworzył obwód, gwałtowny spadek natężenia prądu spowodował powstanie dużego napięcia pomiędzy zaciskiem baterii a przewodem. Gdy przewód został odciągnięty od baterii, prąd nadal płynął przez krótki czas w postaci jasnego łuku pomiędzy zaciskiem baterii a przewodem.

Myślenie Faradaya było przesiąknięte koncepcją elektrycznych i magnetycznych linii sił. Wyobrażał sobie, że magnesy, ładunki elektryczne i prądy elektryczne wytwarzają linie sił. Kiedy położył na magnesie cienką kartkę pokrytą opiłkami żelaza, mógł zaobserwować, że opiłki tworzą łańcuchy od jednego końca magnesu do drugiego. Wierzył, że te linie pokazują kierunki sił i że prąd elektryczny będzie miał takie same linie sił. Napięcie, które budują, wyjaśnia przyciąganie i odpychanie magnesów i ładunków elektrycznych. Faraday wizualizował krzywe magnetyczne już w 1831 roku podczas eksperymentów z indukcją; napisał w swoich notatkach: „Przez krzywe magnetyczne rozumiem linie sił magnetycznych, które zostałyby zobrazowane przez opiłki żelaza”. Faraday sprzeciwiał się panującej idei, że indukcja zachodzi „na odległość”; zamiast tego utrzymywał, że indukcja zachodzi wzdłuż zakrzywionych linii sił z powodu działania sąsiadujących cząsteczek. Później wyjaśnił, że elektryczność i magnetyzm są przenoszone przez medium, które jest miejscem występowania „pól” elektrycznych lub magnetycznych, które sprawiają, że wszystkie substancje są w pewnym stopniu magnetyczne.

Faraday nie był jedynym badaczem kładącym podwaliny pod syntezę elektryczności, magnetyzmu i innych dziedzin fizyki. Na kontynencie europejskim, głównie w Niemczech, naukowcy tworzyli matematyczne powiązania między elektrycznością, magnetyzmem i optyką. Do tego okresu należą prace fizyków Franza Ernsta Neumanna, Wilhelma Eduarda Webera i H.F.E. Lenza. W tym samym czasie Helmholtz oraz angielscy fizycy William Thomson (późniejszy Lord Kelvin) i James Prescott Joule wyjaśniali związek między elektrycznością a innymi formami energii. W latach czterdziestych XIX wieku Joule badał ilościową zależność między prądem elektrycznym a ciepłem i sformułował teorię efektów cieplnych, które towarzyszą przepływowi prądu elektrycznego w przewodnikach. Helmholtz, Thomson, Henry, Gustav Kirchhoff i Sir George Gabriel Stokes również rozszerzyli teorię przewodzenia i propagacji efektów elektrycznych w przewodnikach. W 1856 roku Weber i jego niemiecki kolega, Rudolf Kohlrausch, wyznaczyli stosunek jednostek elektrycznych i magnetycznych i stwierdzili, że ma on takie same wymiary jak światło i że jest prawie dokładnie równy jego prędkości. W 1857 roku Kirchhoff wykorzystał to odkrycie do wykazania, że zaburzenia elektryczne rozchodzą się w przewodzie o dużej przewodności z prędkością światła.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.