Un nuevo período en desarrollo ciencia física comienza con un ingenioso descubrimiento de Faraday inducción electromagnética. Fue en este descubrimiento donde se manifestó claramente la capacidad de la ciencia para enriquecer la tecnología con nuevas ideas. El propio Faraday ya previó la existencia de ondas electromagnéticas sobre la base de su descubrimiento. El 12 de marzo de 1832, selló un sobre que decía "Nuevas vistas que actualmente se guardarán en un sobre sellado en los archivos de la Royal Society". Esta envoltura se abrió en 1938. Resultó que Faraday entendió con bastante claridad que las acciones inductivas se propagan con una velocidad finita en forma de onda. "Considero posible aplicar la teoría de las oscilaciones a la propagación de la inducción eléctrica", escribió Faraday. Al mismo tiempo, señaló que "la propagación de un efecto magnético lleva tiempo, es decir, cuando un imán actúa sobre otro imán distante o sobre un trozo de hierro, la causa influyente (que me atrevo a llamar magnetismo) se propaga desde el campo magnético cuerpos gradualmente y requiere un cierto tiempo para su propagación. que, obviamente, será bastante insignificante. También creo que la inducción eléctrica se propaga exactamente de la misma manera. Creo que la propagación de fuerzas magnéticas desde polo magnético parece la vacilación de un agitado superficie del agua o en vibraciones sonoras partículas de aire ".
Faraday comprendió la importancia de su idea y, al no poder probarla experimentalmente, decidió con la ayuda de este sobre "asegurarse el descubrimiento por sí mismo y, así, tener el derecho, en caso de confirmación experimental, de declarar esta fecha". como la fecha de su descubrimiento ". Entonces, el 12 de marzo de 1832, la humanidad llegó por primera vez a la idea de la existencia. ondas electromagnéticas. A partir de esta fecha comienza la historia de los descubrimientos. radio.
Pero el descubrimiento de Faraday había esencial no solo en la historia de la tecnología. Tuvo un impacto tremendo en el desarrollo de la cosmovisión científica. A partir de este descubrimiento, un nuevo objeto ingresa a la física: campo físico. Por tanto, el descubrimiento de Faraday pertenece a esos descubrimientos cientificos que dejan una huella notable en toda la historia de la cultura humana.
El hijo de un encuadernador herrero londinense nació en Londres el 22 de septiembre de 1791. El ingenioso autodidacta ni siquiera tuvo la oportunidad de terminar escuela primaria y allané el camino para la ciencia yo mismo. Mientras estudiaba encuadernación, leía libros, especialmente sobre química, experimentos quimicos... Al escuchar las conferencias públicas del famoso químico Davy, finalmente se convenció de que su vocación era la ciencia y se dirigió a él con una solicitud para ser contratado en el Royal Institute. Desde 1813, cuando Faraday fue admitido en el instituto como ayudante de laboratorio, y hasta su muerte (25 de agosto de 1867), vivió en la ciencia. Ya en 1821, cuando Faraday recibió la rotación electromagnética, se propuso el objetivo de "convertir el magnetismo en electricidad". Diez años de búsqueda y trabajo duro culminaron con el descubrimiento de la inducción electromagnética el 29 de agosto de 1871.
"Se enrollaron doscientos tres pies de alambre de cobre en una sola pieza en un gran tambor de madera; los otros doscientos tres pies del mismo alambre se aislaron en una espiral entre las espiras del primer devanado, y se eliminó el contacto metálico por medio de un cordón. Una de estas espirales estaba conectada a un galvanómetro y la otra a una batería bien cargada de cien pares de cuatro pulgadas cuadradas de placas dobles de cobre. El cierre del contacto mostró un efecto temporal pero muy débil en el galvanómetro, y un efecto débil similar al abrir el contacto con la batería ". Así describió Faraday su primer experimento sobre la inducción de corrientes. Llamó a este tipo de inducción voltioeléctrica. Continúa describiendo su experiencia principal con el anillo de hierro, el prototipo de la moderna transformador.
"Se soldaba un anillo de una barra redonda de hierro dulce; el grosor del metal era de siete octavos de pulgada, y diámetro exterior anillos - seis pulgadas. En una parte de este anillo se enrollaron tres bobinas, cada una de las cuales contenía unos veinticuatro pies de alambre de cobre, de un vigésimo de pulgada de espesor. Las espirales se aislaron del hierro y entre sí ... ocupando aproximadamente nueve pulgadas a lo largo del anillo. Se podían usar individualmente y en conjunto; este grupo se designa A. En la otra parte del anillo, se arrollaron de la misma manera unos sesenta pies del mismo alambre de cobre en dos piezas, lo que formó una espiral B, que tenía la misma dirección que las espirales A, pero separadas de ellos en cada extremo por aproximadamente media pulgada de hierro desnudo.
Espiral B conectada cables de cobre con un galvanómetro colocado a tres pies del hierro. Las espirales individuales se conectaban de un extremo a otro de modo que formaban una espiral común, cuyos extremos estaban conectados a una batería de diez pares de cuatro pulgadas cuadradas de placas. El galvanómetro reaccionó de inmediato, y con mucha más fuerza de lo observado, como se describió anteriormente, al utilizar una bobina diez veces más potente, pero sin hierro; sin embargo, a pesar de mantener el contacto, la acción cesó. Cuando se abrió el contacto con la batería, la flecha volvió a desviarse fuertemente, pero en dirección opuesta a la inducida en el primer caso ".
Faraday investigó más a fondo el efecto del hierro mediante un experimento directo, introduciendo una barra de hierro en la bobina hueca, en este caso, "la corriente inducida ejercía un efecto muy acción fuerte"." Entonces se obtuvo una acción similar con la ayuda de imanes". Faraday llamó a esta acción inducción magnetoeléctrica, asumiendo que la naturaleza de la inducción voltioeléctrica y magnetoeléctrica es la misma.
Todos los experimentos descritos conforman el contenido de la primera y segunda sección de la obra clásica de Faraday " Investigación experimental sobre la electricidad ", comenzada el 24 de noviembre de 1831. En la tercera sección de esta serie" Sobre el nuevo estado eléctrico de la materia ", Faraday primero intenta describir las nuevas propiedades de los cuerpos manifestadas en la inducción electromagnética. A esta propiedad la llama" electrotónica "Este es el primer embrión del campo de ideas, que fue formado más tarde por Faraday y fue formulado con precisión por primera vez por Maxwell. La cuarta sección de la primera serie está dedicada a explicar el fenómeno de Arago. Faraday clasifica correctamente este fenómeno como inductivo e intenta utilizar este fenómeno para "obtener una nueva fuente de electricidad". Cuando un disco de cobre se mueve entre los polos de un imán, obtiene corriente en el galvanómetro mediante contactos deslizantes. Esta fue la primera Máquina de dínamo. Faraday resume los resultados de sus experimentos en las siguientes palabras: "Esto demostró, de tal manera, que es posible crear una corriente constante de electricidad con la ayuda de un imán ordinario". De sus experimentos sobre inducción en conductores en movimiento, Faraday dedujo la relación entre el polo de un imán, un conductor en movimiento y la dirección de la corriente inducida, es decir, "la ley que gobierna la producción de electricidad mediante inducción magnetoeléctrica". Como resultado de su investigación, Faraday estableció que "la capacidad de inducir corrientes se manifiesta en un círculo alrededor de una resultante magnética o eje de fuerza, así como el magnetismo ubicado en un círculo surge alrededor de una corriente eléctrica y es detectado por ella" *.
* (M. Faraday, Investigación experimental sobre electricidad, vol. I, Ed. Academia de Ciencias de la URSS, 1947, pág.57.)
En otras palabras, alrededor de la variable flujo magnético vórtice campo eléctrico, al igual que un campo magnético de vórtice surge alrededor de una corriente eléctrica. Este hecho fundamental fue generalizado por Maxwell en la forma de sus dos ecuaciones del campo electromagnético.
La segunda serie de "Investigaciones", iniciada el 12 de enero de 1832, también está dedicada al estudio de los fenómenos de inducción electromagnética, especialmente la acción inductiva del campo magnético terrestre. diferentes tipos electricidad: electrostática, galvánica, animal, magnetoeléctrica (es decir, obtenida mediante inducción electromagnética). Faraday concluye que la electricidad recibida diferentes caminos, cualitativamente igual, la diferencia de acciones es sólo cuantitativa. Esto asestó el golpe final al concepto de varios "fluidos" de resina y electricidad de vidrio, galvanismo, electricidad animal. La electricidad resultó ser una entidad única pero polar.
Muy importante es la quinta serie de "Investigaciones" de Faraday, iniciada el 18 de junio de 1833. Aquí Faraday comienza su investigación sobre la electrólisis, que lo llevó al establecimiento de las famosas leyes que llevan su nombre. Estos estudios continuaron en la séptima serie, iniciada el 9 de enero de 1834. En esta última serie, Faraday propone una nueva terminología: los polos que suministran corriente al electrolito, propone llamar electrodos, llamada de electrodo positivo ánodo, y negativo - cátodo, partículas de la sustancia depositada que van al ánodo que él llama aniones, y las partículas que van al cátodo - cationes... Además, es dueño de los términos electrólito para sustancias degradables, iones y equivalentes electroquímicos. Todos estos términos están firmemente arraigados en la ciencia. Faraday extrae la conclusión correcta de las leyes que encontró de que podemos hablar de algunas numero absoluto electricidad asociada con los átomos de la materia ordinaria. "Aunque no sabemos nada de lo que es un átomo", escribe Faraday, "involuntariamente imaginamos alguna pequeña partícula que aparece en nuestra mente cuando pensamos en ella; cierto, en la misma o incluso mayor ignorancia estamos en relación a la electricidad , ni siquiera somos capaces de decir si se trata de una materia o materia especial, o simplemente el movimiento de materia ordinaria, u otro tipo de fuerza o agente; sin embargo, hay una enorme cantidad de hechos que nos hacen pensar, que los átomos de la materia están de alguna manera dotados de fuerzas eléctricas o están asociados con ellas y les deben sus cualidades más notables, incluida su afinidad química entre sí "*.
* (M. Faraday, Investigación experimental sobre electricidad, vol. I, Ed. Academia de Ciencias de la URSS, 1947, pág.335.)
Así, Faraday expresó claramente la idea de "electrificación" de la materia, la estructura atómica de la electricidad y el átomo de la electricidad o, como dice Faraday, "la cantidad absoluta de electricidad" resulta ser "tan definido en su acción, como cualquiera de esas cantidades que, sin dejar de estar conectados con partículas de materia, les informa de su afinidad química ". Elemental carga eléctrica, como lo demuestra el desarrollo posterior de la física, se puede determinar de hecho a partir de las leyes de Faraday.
La novena serie de "Investigaciones" de Faraday fue muy importante. Esta serie, que comenzó el 18 de diciembre de 1834, abordó los fenómenos de autoinducción, con extracorrientes de cierre y apertura. Faraday señala al describir estos fenómenos que, aunque tienen características inercia, Sin embargo, el fenómeno de la autoinducción se distingue de la inercia mecánica por el hecho de que dependen de forma conductor. Faraday señala que "la extracorriente es idéntica a ... la corriente inducida" *. Como resultado, Faraday desarrolló una comprensión del significado muy amplio del proceso de inducción. En la undécima serie de sus estudios, iniciada el 30 de noviembre de 1837, afirma: "La inducción juega más papel general en todo fenómenos eléctricos, participando, aparentemente, en cada uno de ellos, y en realidad tiene las características del primer y esencial comienzo ". ** En particular, según Faraday, todo proceso de carga es un proceso de inducción, desplazamiento cargas opuestas: "las sustancias no pueden cargarse absolutamente, sino sólo relativamente, de acuerdo con una ley idéntica a la inducción. Cualquier carga se apoya en la inducción. Todos los fenómenos destaca incluir el comienzo de las inducciones "***. El significado de estas afirmaciones de Faraday es que cualquier campo eléctrico (" fenómeno de voltaje "- en la terminología de Faraday) está necesariamente acompañado por un proceso de inducción en el medio (" desplazamiento "- en la versión posterior de Maxwell Este proceso está determinado por las propiedades del medio, su "capacidad inductiva", en la terminología de Faraday, o "constante dieléctrica", en la terminología moderna. El experimento de Faraday con un condensador esférico determinó la constante dieléctrica de una serie de sustancias en relación con el aire Estos experimentos fortalecieron a Faraday en la idea del papel esencial del medio ambiente en los procesos electromagnéticos.
* (M. Faraday, Investigación experimental sobre electricidad, vol. I, Ed. Academia de Ciencias de la URSS, 1947, pág.445.)
** (M. Faraday, Investigación experimental sobre electricidad, vol. I, Ed. Academia de Ciencias de la URSS, 1947, pág.478.)
*** (M. Faraday, Investigación experimental sobre electricidad, vol. I, Ed. Academia de Ciencias de la URSS, 1947, pág.487.)
La ley de inducción electromagnética fue desarrollada significativamente por el físico ruso de la Academia de San Petersburgo. Emily Christianovich Lenz(1804-1865). El 29 de noviembre de 1833, Lenz informó a la Academia de Ciencias de su investigación "Sobre la determinación de la dirección de las corrientes galvánicas excitadas por inducción electrodinámica". Lenz demostró que la inducción magnetoeléctrica de Faraday está estrechamente relacionada con las fuerzas electromagnéticas de Ampere. "La posición por la cual un fenómeno magnetoeléctrico se reduce a uno electromagnético es la siguiente: si un conductor de metal se mueve cerca de una corriente galvánica o un imán, entonces se excita una corriente galvánica en una dirección tal que si este conductor estuviera estacionario, entonces la corriente podría causar su movimiento en la dirección opuesta; se supone que el conductor estacionario solo puede moverse en la dirección del movimiento o en la dirección opuesta "*.
* (E. H. Lenz, Obras seleccionadas, Ed. Academia de Ciencias de la URSS, 1950, págs. 148-149.)
Este principio de Lenz revela la energía de los procesos de inducción y jugó un papel importante en el trabajo de Helmholtz para establecer la ley de conservación de la energía. El propio Lenz derivó de su regla el principio de reversibilidad de las máquinas electromagnéticas, muy conocido en la ingeniería eléctrica: si se hace girar una bobina entre los polos de un imán, se genera una corriente; por el contrario, si se le envía una corriente, girará. El motor eléctrico se puede convertir en un generador y viceversa. Estudiando la acción de las máquinas magnetoeléctricas, Lenz descubrió en 1847 la reacción de la armadura.
En 1842-1843. Lenz llevó a cabo un estudio clásico "Sobre las leyes de la liberación de calor por corriente galvánica" (informado el 2 de diciembre de 1842, publicado en 1843), que comenzó mucho antes de los experimentos similares de Joule (el mensaje de Joule apareció en octubre de 1841) y continuó por él. a pesar de la publicación Joule, "dado que los experimentos de este último pueden encontrar algunas objeciones bien fundadas, como ya ha demostrado nuestro colega el Sr. Acad. Hess" *. Lenz mide la corriente con la brújula tangente, un dispositivo inventado por el profesor de Helsingfors, Johann Nerwander (1805-1848), y en la primera parte de su mensaje examina este dispositivo. En la segunda parte, "La liberación de calor en los alambres", informada el 11 de agosto de 1843, llega a su famosa ley:
- "
- El calentamiento del alambre por la corriente galvánica es proporcional a la resistencia del alambre.
- Calentar el alambre por corriente galvánica es proporcional al cuadrado de la corriente usada para calentar "**.
* (E. H. Lenz, Obras seleccionadas, Ed. Academia de Ciencias de la URSS, 1950, p. 361.)
** (E. H. Lenz, Obras seleccionadas, Ed. Academia de Ciencias de la URSS, 1950, pág.441.)
La ley de Joule-Lenz jugó un papel importante en el establecimiento de la ley de conservación de la energía. Todo el desarrollo de la ciencia de los fenómenos eléctricos y magnéticos llevó a la idea de la unidad de las fuerzas de la naturaleza, a la idea de preservar estas "fuerzas".
Casi simultáneamente con Faraday, un físico estadounidense observó la inducción electromagnética Joseph Henry(1797-1878). Henry hizo un gran electroimán (1828) que, impulsado por una celda galvánica de baja resistencia, soportaba una carga de 2000 libras. Este electroimán es mencionado por Faraday e indica que con su ayuda se puede obtener una fuerte chispa al abrir.
Henry fue el primero (1832) en observar el fenómeno de la autoinducción, y su prioridad está marcada por el nombre de la unidad de autoinducción "Henry".
En 1842 Henry estableció carácter vibracional descarga de la jarra de Leyden. La fina aguja de vidrio con la que estudió este fenómeno fue magnetizada con diferentes polaridades, mientras que la dirección de la descarga se mantuvo sin cambios. “La descarga, cualquiera que sea su naturaleza”, concluye Henry, “no parece ser (usando la teoría de Franklin-PK) una sola transferencia de un fluido ingrávido de una placa a otra; el fenómeno descubierto nos obliga a admitir la existencia de la descarga principal en una dirección, y luego varias acciones extrañas hacia adelante y hacia atrás, cada una de las cuales es más débil que la anterior, continuando hasta que se alcanza el equilibrio ".
Los fenómenos de inducción se están convirtiendo en un tema destacado en la investigación de la física. En 1845 el físico alemán Franz Neumann(1798-1895) dio la expresión matemática la ley de inducción, resumiendo la investigación de Faraday y Lenz.
Neumann expresó la fuerza electromotriz de inducción en la forma de una derivada en el tiempo de alguna función que induce una corriente y la configuración mutua de las corrientes que interactúan. Neumann llamó a esta función potencial electrodinámico. También encontró una expresión para el coeficiente de inducción mutua. En su ensayo "Sobre la conservación de la fuerza" de 1847, Helmholtz deriva la expresión de Neumann para la ley de inducción electromagnética a partir de consideraciones energéticas. En el mismo trabajo, Helmholtz afirma que la descarga de un condensador "no es ... un simple movimiento de electricidad en una dirección, sino ... su flujo en una dirección y luego en la otra dirección entre dos placas en forma de oscilaciones, que se vuelven cada vez menos, hasta que finalmente toda la fuerza viva es destruida por la suma de las resistencias ".
En 1853 William Thomson(1824-1907) dio teoría matemática descarga oscilatoria del condensador y estableció la dependencia del período de oscilación de los parámetros del circuito oscilatorio (fórmula de Thomson).
En 1858 P. Blaserna(1836-1918) eliminó experimentalmente la curva de resonancia de las oscilaciones eléctricas, estudiando la acción de un circuito inductor de descarga que contiene un banco de condensadores y conductores de cierre en un circuito lateral, con una longitud variable del conductor inducido. En el mismo 1858 Wilhelm Feddersen(1832-1918) observó la descarga de chispas de una jarra de Leyden en un espejo giratorio, y en 1862 fotografió la imagen de la descarga de chispas en un espejo giratorio. Por lo tanto, se estableció claramente la naturaleza oscilatoria de la descarga. Al mismo tiempo, se probó experimentalmente la fórmula de Thomson. Así, paso a paso, la doctrina de vibraciones eléctricas, constituyendo la base científica de la ingeniería eléctrica de corrientes alternas y la ingeniería radioeléctrica.
>> Descubrimiento de la inducción electromagnética
Capítulo 2. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
Hasta ahora, hemos considerado campos eléctricos y magnéticos que no cambian con el tiempo. Se descubrió que el campo electrostático es creado por partículas cargadas estacionarias, y el campo magnético, por las que se mueven, es decir, por una corriente eléctrica. Conozcamos ahora los campos eléctricos y magnéticos, que cambian con el tiempo.
El hecho más importante que se ha descubierto es la relación más estrecha entre los campos eléctricos y magnéticos. Resultó que un campo magnético variable en el tiempo genera un campo eléctrico y un campo eléctrico cambiante, uno magnético. Sin esta conexión entre los campos, la variedad de manifestaciones fuerzas electromagnéticas no sería tan extenso como realmente es. No habría ondas de radio ni luz.
§ 8 APERTURA DE INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
En 1821 M. Faraday escribió en su diario: "Convierta el magnetismo en electricidad". Después de 10 años, este problema fue resuelto por él.
No es una coincidencia que el primer paso decisivo en el descubrimiento de nuevas propiedades de las interacciones electromagnéticas lo diera el fundador del concepto de campo electromagnético, M. Faraday, quien confiaba en la naturaleza única de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Gracias a esto, hizo un descubrimiento que se convirtió en la base del dispositivo de generadores de todas las centrales eléctricas del mundo, convirtiendo la energía mecánica en energía de una corriente eléctrica. (Las fuentes que operan según otros principios: celdas galvánicas, baterías, etc., dan una parte insignificante de la energía eléctrica generada).
La corriente eléctrica, argumentó M. Faraday, es capaz de magnetizar un trozo de hierro. ¿Podría un imán, a su vez, provocar la aparición de una corriente eléctrica? Largo tiempo no se pudo encontrar esta conexión. Fue difícil averiguar lo principal, a saber: un imán en movimiento, o un campo magnético que cambia con el tiempo, puede excitar una corriente eléctrica en la bobina.
El siguiente hecho muestra qué tipo de accidente pudo haber evitado el descubrimiento. Casi simultáneamente con Faraday, el físico suizo Colladon intentó obtener una corriente eléctrica en la bobina mediante un imán. En el curso del trabajo, utilizó un galvanómetro, una aguja magnética ligera que se colocó dentro de la bobina del dispositivo. Para evitar que el imán tuviera un efecto directo sobre la aguja, los extremos de la bobina, en la que Colladon introdujo el imán, con la esperanza de que entrara corriente, se sacaron a la habitación contigua y allí se conectaron a un galvanómetro. Después de insertar un imán en la bobina, Colladon entró en la habitación contigua y, con disgusto, se convenció de que el galvanómetro no mostraba corriente. Si tuviera que mirar el galvanómetro todo el tiempo y pedirle a alguien que trabajara en el imán, se habría hecho un descubrimiento maravilloso. Pero esto no sucedió. Un imán que descansa en relación con la bobina no induce corriente en él.
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El siguiente paso importante en el desarrollo de la electrodinámica después de los experimentos de Ampere fue el descubrimiento del fenómeno de la inducción electromagnética. El fenómeno de la inducción electromagnética fue descubierto por el físico inglés Michael Faraday (1791-1867).
Faraday, siendo un científico joven, al igual que Oersted, pensó que todas las fuerzas de la naturaleza están interconectadas y, además, que son capaces de transformarse entre sí. Es interesante que Faraday expresó esta idea incluso antes del establecimiento de la ley de conservación y transformación de la energía. Faraday sabía sobre el descubrimiento de Ampere, que, en sentido figurado, convirtió la electricidad en magnetismo. Reflexionando sobre este descubrimiento, Faraday llegó a la conclusión de que si "la electricidad crea magnetismo", entonces viceversa, "el magnetismo debe crear electricidad". Y, sin embargo, en 1823 escribió en su diario: "Convierte el magnetismo en electricidad". Durante ocho años, Faraday trabajó para resolver este problema. Durante mucho tiempo fue perseguido por fallas y, finalmente, en 1831 lo resolvió: descubrió el fenómeno de la inducción electromagnética.
Primero, Faraday descubrió el fenómeno de la inducción electromagnética para el caso en que las bobinas se enrollan en el mismo tambor. Si una corriente eléctrica surge o desaparece en una bobina como resultado de conectar o desconectar una batería galvánica de ella, entonces surge una corriente a corto plazo en la otra bobina en este momento. Esta corriente es detectada por un galvanómetro, que está conectado a la segunda bobina.
Entonces Faraday también estableció la presencia corriente de inducción en la bobina, cuando una bobina en la que fluye una corriente eléctrica se acerca o se retira de ella.
Finalmente, el tercer caso de inducción electromagnética que descubrió Faraday fue que aparecía una corriente en la bobina cuando se introducía o retiraba un imán.
El descubrimiento de Faraday atrajo la atención de muchos físicos, que también comenzaron a estudiar las características del fenómeno de la inducción electromagnética. La siguiente tarea fue establecer ley General inducción electromagnética. Era necesario averiguar cómo y de qué depende la intensidad de la corriente de inducción en el conductor, o de qué depende el valor de la fuerza de inducción electromotriz en el conductor en el que se induce la corriente eléctrica.
Esta tarea resultó ser difícil. Fue resuelto por completo por Faraday y Maxwell posteriormente en el marco de la teoría del campo electromagnético desarrollada por ellos. Pero también lo intentaron los físicos, que se adhirieron a la teoría de la acción de largo alcance, habitual para esa época, en la teoría de los fenómenos eléctricos y magnéticos.
Algo que estos científicos han logrado hacer. Al mismo tiempo, pudo haber descubierto la regla para encontrar la dirección de la corriente de inducción en diferentes casos inducción electromagnética. Lenz lo formuló de la siguiente manera: “Si un conductor de metal se mueve cerca de una corriente galvánica o un imán, entonces se excita una corriente galvánica en él en una dirección tal que si este conductor estuviera estacionario, entonces la corriente podría causar su movimiento en la dirección opuesta; se supone que el conductor estacionario solo puede moverse en la dirección del movimiento o en la dirección opuesta ".
Esta regla es muy conveniente para determinar la dirección de la corriente de inducción. Lo usamos ahora, solo que ahora se está formulando de manera algo diferente, con la adición del concepto de inducción electromagnética, que Lenz no usó.
Pero históricamente, el significado principal de la regla de Lenz fue que impulsó la idea de cómo abordar el hallazgo de la ley de la inducción electromagnética. El caso es que en la regla del átomo se establece una conexión entre la inducción electromagnética y el fenómeno de la interacción de corrientes. La cuestión de la interacción de las corrientes ya ha sido resuelta por Ampere. Por tanto, el establecimiento de esta conexión permitió en un principio determinar la expresión de la fuerza electromotriz de inducción en un conductor para varios casos especiales.
V vista general la ley de la inducción electromagnética, como decíamos, fue establecida por Faraday y Maxwell.
Inducción electromagnética: el fenómeno de la aparición de una corriente eléctrica en un circuito cerrado cuando cambia el flujo magnético que lo atraviesa.
La inducción electromagnética fue descubierta por Michael Faraday el 29 de agosto de 1831. Descubrió que la fuerza electromotriz que se produce en un bucle conductor cerrado es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético a través de la superficie delimitada por este bucle. La magnitud de la fuerza electromotriz (EMF) no depende de cuál es la causa del cambio en el flujo: un cambio en el campo magnético en sí o el movimiento de un circuito (o parte de él) en un campo magnético. La corriente eléctrica causada por este EMF se llama corriente de inducción.
Autoinducción: la aparición de un campo electromagnético de inducción en un bucle conductor cerrado cuando cambia la corriente que fluye a lo largo del bucle.
Cuando cambia la corriente en el circuito, el flujo magnético a través de la superficie delimitada por este circuito también cambia proporcionalmente. Un cambio en este flujo magnético, en virtud de la ley de inducción electromagnética, conduce a la excitación de un EMF inductivo en este circuito.
Este fenómeno se llama autoinducción. (El concepto está relacionado con el concepto de inducción mutua, siendo, por así decirlo, un caso especial del mismo).
Dirección EMF de autoinducción siempre resulta que con un aumento en la corriente en el circuito, la EMF de autoinducción evita este aumento (dirigido contra la corriente), y con una disminución de la corriente, una disminución (codirigida con la corriente). Por esta propiedad, la EMF de autoinducción es similar a la fuerza de inercia.
La creación del primer relé fue precedida por la invención en 1824 por el inglés Sturgeon del electroimán, un dispositivo que convierte la corriente eléctrica de entrada de una bobina de alambre enrollada en un núcleo de hierro en un campo magnético generado dentro y fuera de este núcleo. El campo magnético fue fijado (detectado) por su acción sobre el material ferromagnético ubicado cerca del núcleo. Este material fue atraído por el núcleo del electroimán.
Posteriormente, el efecto de convertir la energía de una corriente eléctrica en energía mecánica de un movimiento significativo de un material ferromagnético externo (armadura) formó la base de varios dispositivos electromecánicos para telecomunicaciones (telegrafía y telefonía), ingeniería eléctrica e ingeniería energética. Uno de los primeros dispositivos de este tipo fue el relé electromagnético, inventado por el estadounidense J. Henry en 1831.
Inducción electromagnética- Este es un fenómeno que consiste en la ocurrencia de una corriente eléctrica en un conductor cerrado como consecuencia de un cambio en el campo magnético en el que se ubica. Este fenómeno fue descubierto por el físico inglés M. Faraday en 1831. Su esencia puede explicarse mediante unos pocos experimentos sencillos.
Descrito en los experimentos de Faraday principio de obtención corriente alterna utilizado en generadores de inducción que generan energía eléctrica en centrales térmicas o hidroeléctricas. La resistencia a la rotación del rotor del generador que surge de la interacción de la corriente de inducción con el campo magnético es superada por el funcionamiento de una turbina de vapor o hidráulica que hace girar el rotor. Tales generadores convertir la energía mecánica en energía eléctrica .
Corrientes de Foucault o corrientes de Foucault
Si un conductor masivo se coloca en un campo magnético alterno, debido al fenómeno de inducción electromagnética, las corrientes de inducción de Foucault, llamadas Corrientes de Foucault.
Corrientes de Foucault También surgen cuando un conductor masivo se mueve en un campo magnético constante pero no uniforme en el espacio. Las corrientes de Foucault tienen una dirección tal que la fuerza que actúa sobre ellas en un campo magnético ralentiza el movimiento del conductor. Un péndulo en forma de placa de metal sólido hecho de material no magnético, que oscila entre los polos de un electroimán, se detiene abruptamente cuando se enciende el campo magnético.
En muchos casos, el calentamiento provocado por las corrientes de Foucault resulta perjudicial y debe combatirse. Los núcleos de los transformadores, los rotores de los motores eléctricos se reclutan a partir de placas de hierro separadas, separadas por capas de un aislante que evita el desarrollo de grandes corrientes de inducción, y las propias placas están hechas de aleaciones con alta resistividad.
Campo electromagnetico
El campo eléctrico creado por cargas estacionarias es estático y actúa sobre las cargas. Una corriente constante provoca la aparición de un campo magnético constante en el tiempo, que actúa sobre cargas y corrientes en movimiento. Eléctrico y campo magnético existen en este caso independientemente unos de otros.
Fenómeno inducción electromagnética Demuestra la interacción de estos campos, observada en sustancias en las que hay cargas libres, es decir, en conductores. Un campo magnético alterno crea un campo eléctrico alterno que, actuando sobre cargas libres, crea una corriente eléctrica. Esta corriente, al ser alterna, genera a su vez un campo magnético alterno, que crea un campo eléctrico en el mismo conductor, etc.
La combinación de campos eléctricos y magnéticos alternos que se generan entre sí se llama campo electromagnetico ... También puede existir en un entorno donde no hay cargas gratuitas y se propaga en el espacio en la forma onda electromagnética.
Clásico electrodinámica- uno de los mayores logros de la mente humana. Tuvo un gran impacto en el desarrollo posterior de la civilización humana, al predecir la existencia de ondas electromagnéticas. Posteriormente, esto condujo a la creación de sistemas de radio, televisión, telecomunicaciones, ayudas a la navegación por satélite, así como computadoras, robots industriales y domésticos y otros atributos de la vida moderna.
La piedra angular Teorías de Maxwell fue la afirmación de que la fuente del campo magnético solo puede ser un campo eléctrico alterno, al igual que la fuente campo eléctrico, creando una corriente de inducción en el conductor, es un campo magnético alterno. En este caso, la presencia de un conductor no es necesaria: el campo eléctrico también surge en el espacio vacío. Las líneas de un campo eléctrico alterno, similares a las líneas de un campo magnético, están cerradas. Los campos eléctricos y magnéticos de una onda electromagnética son iguales.
Inducción electromagnética en diagramas y tablas.
En 1821, Michael Faraday escribió en su diario: "Convierta el magnetismo en electricidad". Después de 10 años, este problema fue resuelto por él.
El descubrimiento de Faraday
No es una coincidencia que el primer y más importante paso en el descubrimiento de nuevas propiedades de las interacciones electromagnéticas lo dio el fundador del concepto de campo electromagnético: Faraday. Faraday estaba convencido de la naturaleza única de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Poco después del descubrimiento de Oersted, escribió: “... parece muy inusual que, por un lado, cualquier corriente eléctrica deba ir acompañada de una acción magnética de intensidad apropiada dirigida en ángulo recto a la corriente, y al mismo tiempo, en buenos conductores de electricidad, colocados en la esfera de esta acción, no se indujo corriente alguna, no se produjo ninguna acción tangible, equivalente en fuerza a tal corriente ". El trabajo arduo durante diez años y la fe en el éxito llevaron a Faraday a un descubrimiento, que más tarde formó la base del dispositivo de generadores de todas las centrales eléctricas del mundo, que convierte la energía mecánica en energía de corriente eléctrica. (Fuentes que operan según otros principios: celdas galvánicas, baterías, termocélulas y fotocélulas: dan una parte insignificante de la energía eléctrica generada).
Durante mucho tiempo, no se pudo detectar la relación entre los fenómenos eléctricos y magnéticos. Era difícil averiguar lo principal: solo un campo magnético que cambia en el tiempo puede excitar una corriente eléctrica en una bobina estacionaria, o la bobina misma debe moverse en un campo magnético.
El descubrimiento de la inducción electromagnética, como Faraday llamó a este fenómeno, se realizó el 29 de agosto de 1831. Es un caso raro cuando se conoce con tanta precisión la fecha de un nuevo descubrimiento notable. Breve descripción primera experiencia dada por el propio Faraday.
"En un carrete de madera ancho se enrollaba alambre de cobre 203 pies de largo, con un alambre de la misma longitud enrollado entre sus vueltas, pero aislado del primer hilo de algodón. Una de estas bobinas estaba conectada a un galvanómetro, y la otra a una batería fuerte, compuesta por 100 pares de placas ... Cuando se cerró el circuito, se notó un efecto repentino pero extremadamente débil en el galvanómetro, y lo mismo sucedió. notó cuando se cortó la corriente. Con el paso continuo de la corriente a través de una de las espirales, no era posible notar ni la acción sobre el galvanómetro, ni, en general, ninguna acción inductiva sobre la otra espiral. 5.1
frotando el hecho de que el calentamiento de toda la bobina conectada a la batería y el brillo de la chispa que se desliza entre las brasas atestiguan la potencia de la batería ".
Entonces, inicialmente, la inducción se descubrió en conductores fijos entre sí cuando el circuito estaba cerrado y abierto. Luego, entendiendo claramente que el acercamiento o remoción de conductores con corriente debería conducir al mismo resultado que cerrar y abrir un circuito, Faraday demostró a través de experimentos que la corriente surge cuando las bobinas se mueven entre sí (figura 5.1). Familiarizado con las obras de Ampere, Faraday entendió que un imán es una colección de pequeñas corrientes que circulan en moléculas. El 17 de octubre, según consta en su diario de laboratorio, se detectó una corriente de inducción en la bobina durante el empuje (o extracción) del imán (figura 5.2). En un mes, Faraday descubrió empíricamente todas las características esenciales del fenómeno de la inducción electromagnética. Solo quedaba dar a la ley una forma cuantitativa estricta y revelar completamente la naturaleza física del fenómeno.
Ya el propio Faraday comprendió lo general, de lo que depende la aparición de la corriente de inducción en experimentos que exteriormente se ven diferentes.
En un circuito conductor cerrado, surge una corriente cuando cambia el número de líneas de inducción magnética que penetran en la superficie delimitada por este circuito. Y cuanto más rápido cambia el número de líneas de inducción magnética, mayor es la corriente que surge. En este caso, la razón del cambio en el número de líneas de inducción magnética es completamente indiferente. Esto puede ser un cambio en el número de líneas de inducción magnética que perforan un conductor estacionario debido a un cambio en la intensidad de la corriente en una bobina vecina, y un cambio en el número de líneas debido al movimiento del circuito en un campo magnético no homogéneo. cuya densidad de líneas cambia en el espacio (Fig. 5.3).
Faraday no solo descubrió el fenómeno, sino que fue el primero en diseñar un modelo aún imperfecto de un generador de corriente eléctrica, que convierte la energía mecánica de rotación en corriente. Era un enorme disco de cobre que giraba entre los polos de un imán fuerte (Figura 5.4). Al conectar el eje y el borde del disco al galvanómetro, Faraday descubrió una desviación
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S es la punta de la flecha. La corriente era, sin embargo, débil, pero el principio encontrado permitió luego construir potentes generadores... Sin ellos, la electricidad seguiría siendo un lujo que pocas personas pueden permitirse.
Una corriente eléctrica surge en un circuito cerrado conductor si el circuito está en un campo magnético alterno o se mueve en un campo constante de tiempo de modo que cambia el número de líneas de inducción magnética que penetran en el circuito. Este fenómeno se llama inducción electromagnética.