สรุปการค้นพบการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ผู้ค้นพบปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

ก่อนที่จะตอบคำถามว่าใครเป็นผู้ค้นพบปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าให้เราพิจารณาว่าสถานการณ์ในขณะนั้นเป็นอย่างไร โลกวิทยาศาสตร์ในสาขาความรู้ที่เกี่ยวข้อง การค้นพบในปี 1820 โดย H.K. สนามแม่เหล็กของเออร์สเตดรอบเส้นลวดที่นำกระแสไฟฟ้าทำให้เกิดการสั่นพ้องในวงกว้างในแวดวงวิทยาศาสตร์ มีการทดลองมากมายในสาขาไฟฟ้า แนวคิดของการหมุนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้ารอบตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าถูกเสนอโดย Wollaston เอ็ม. ฟาราเดย์เกิดแนวคิดนี้ขึ้นมาด้วยตนเองและสร้างมอเตอร์ไฟฟ้ารุ่นแรกขึ้นในปี พ.ศ. 2364 นักวิทยาศาสตร์ได้ให้การกระทำของกระแสบนขั้วหนึ่งของแม่เหล็ก และใช้การสัมผัสสารปรอท ทำให้ตระหนักถึงการหมุนอย่างต่อเนื่องของแม่เหล็กรอบกระแส - ตัวนำไฟฟ้า ตอนนั้นเองที่ M. Faraday ได้กำหนดภารกิจต่อไปนี้ในไดอารี่ของเขา: เปลี่ยนแม่เหล็กให้เป็นไฟฟ้า ต้องใช้เวลาเกือบสิบปีในการแก้ปัญหานี้ เฉพาะในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2374 M. Faraday เริ่มเผยแพร่ผลงานวิจัยของเขาในหัวข้อนี้อย่างเป็นระบบ การทดลองแบบคลาสสิกของฟาราเดย์เพื่อตรวจจับปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าคือ:
ประสบการณ์ครั้งแรก:
ใช้กัลวาโนมิเตอร์ซึ่งเชื่อมต่อกับโซลินอยด์ แม่เหล็กถาวรถูกผลักหรือดึงเข้าไปในโซลินอยด์ ในขณะที่แม่เหล็กเคลื่อนที่ จะสังเกตการโก่งตัวของเข็มกัลวาโนมิเตอร์ ซึ่งบ่งบอกถึงลักษณะของกระแสเหนี่ยวนำ ในกรณีนี้ ยิ่งความเร็วในการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กสัมพันธ์กับขดลวดสูงขึ้นเท่าใด การโก่งตัวของเข็มก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น หากขั้วของแม่เหล็กเปลี่ยนไป ทิศทางการโก่งตัวของเข็มกัลวาโนมิเตอร์ก็จะเปลี่ยนไป ต้องบอกว่าในรูปแบบหนึ่งของการทดลองนี้ แม่เหล็กสามารถถูกทำให้ไม่เคลื่อนที่ และโซลินอยด์สามารถเคลื่อนที่โดยสัมพันธ์กับแม่เหล็กได้
ประสบการณ์ครั้งที่สอง:
มีสองคอยล์ อันหนึ่งถูกแทรกเข้าไปในอีกอัน ปลายของคอยล์หนึ่งเชื่อมต่อกับกัลวาโนมิเตอร์ ผ่านไปอีกขดลวดหนึ่ง ไฟฟ้า. เข็มกระแสไฟฟ้าจะเบนเข็มเมื่อกระแสเปิด (ปิด) การเปลี่ยนแปลง (เพิ่มขึ้นหรือลดลง) หรือเมื่อขดลวดเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน ในกรณีนี้ทิศทางการโก่งตัวของเข็มกัลวาโนมิเตอร์จะตรงกันข้ามเมื่อเปิดและปิดกระแส (ลด - เพิ่ม)
หลังจากสรุปการทดลองของเขาแล้ว เอ็ม. ฟาราเดย์สรุปว่ากระแสเหนี่ยวนำจะปรากฏขึ้นเมื่อใดก็ตามที่ฟลักซ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กเชื่อมโยงกับการเปลี่ยนแปลงของวงจร นอกจากนี้ยังพบว่าขนาดของกระแสเหนี่ยวนำไม่ได้ขึ้นอยู่กับวิธีที่ฟลักซ์แม่เหล็กเปลี่ยนแปลง แต่ถูกกำหนดโดยอัตราการเปลี่ยนแปลง ในการทดลองของเขา เอ็ม. ฟาราเดย์แสดงให้เห็นว่ามุมโก่งของเข็มกัลวาโนมิเตอร์ขึ้นอยู่กับความเร็วการเคลื่อนที่ของแม่เหล็ก (หรืออัตราการเปลี่ยนแปลงของความแรงของกระแสหรือความเร็วของการเคลื่อนที่ของขดลวด) ดังนั้นผลการทดลองของฟาราเดย์ในด้านนี้สามารถสรุปได้ดังนี้
แรงเคลื่อนไฟฟ้าของการเหนี่ยวนำจะปรากฏขึ้นเมื่อฟลักซ์แม่เหล็กเปลี่ยนแปลง (ดูหน้า ““ สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม)
แม็กซ์เวลล์เขียนความเชื่อมโยงระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็กที่ก่อตั้งโดยเอ็ม. ฟาราเดย์ในรูปแบบทางคณิตศาสตร์ ปัจจุบันเรารู้จักรายการนี้ว่าเป็นกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (กฎของฟาราเดย์) (หน้า "")

วันนี้เราจะมาพูดถึงปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ให้เราเปิดเผยว่าเหตุใดปรากฏการณ์นี้จึงถูกค้นพบและมีประโยชน์อะไรบ้าง

ผ้าไหม

ผู้คนมุ่งมั่นที่จะมีชีวิตที่ดีขึ้นมาโดยตลอด บางคนอาจคิดว่านี่เป็นเหตุผลที่จะกล่าวหาว่ามนุษยชาติมีความโลภ แต่บ่อยครั้งที่เรากำลังพูดถึงการได้รับสิ่งอำนวยความสะดวกขั้นพื้นฐานในครัวเรือน

ใน ยุโรปยุคกลางรู้วิธีการทำผ้าขนสัตว์ ผ้าฝ้าย และผ้าลินิน และแม้ในขณะนั้นผู้คนต้องทนทุกข์ทรมานจากหมัดและเหาที่มากเกินไป ในเวลาเดียวกัน อารยธรรมจีนได้เรียนรู้วิธีทอผ้าไหมอย่างเชี่ยวชาญแล้ว เสื้อผ้าที่ทำจากมันช่วยป้องกันตัวดูดเลือดให้ห่างจากผิวหนังมนุษย์ ขาของแมลงก็เลื่อนไปตาม ผ้าเรียบและเหาก็หลุดออกไป ดังนั้นชาวยุโรปจึงต้องการแต่งกายด้วยผ้าไหมไม่ว่าจะด้วยวิธีใดก็ตาม และพ่อค้าก็คิดว่านี่เป็นโอกาสที่จะร่ำรวยอีกครั้งหนึ่ง จึงได้มีการสร้างเส้นทางสายไหมอันยิ่งใหญ่ขึ้น

นี่เป็นวิธีเดียวที่จะส่งมอบผ้าที่ต้องการให้กับยุโรปที่ทุกข์ทรมาน และผู้คนจำนวนมากมีส่วนร่วมในกระบวนการที่ทำให้เมืองต่างๆ เกิดขึ้น จักรวรรดิต่างๆ ต่อสู้เพื่อสิทธิในการเก็บภาษี และบางส่วนของเส้นทางยังคงเป็นวิธีที่สะดวกที่สุดในการไปยังสถานที่ที่ถูกต้อง

เข็มทิศและดวงดาว

ภูเขาและทะเลทรายยืนขวางทางคาราวานด้วยผ้าไหม บังเอิญว่าลักษณะของพื้นที่ยังคงเหมือนเดิมเป็นเวลาหลายสัปดาห์และหลายเดือน เนินทรายบริภาษหลีกทางให้กับเนินเขาที่คล้ายกัน ทางหนึ่งผ่านไปอีกทางหนึ่ง และผู้คนต้องนำทางเพื่อส่งสินค้าอันมีค่าของพวกเขา

ดวงดาวเป็นคนแรกที่เข้ามาช่วยเหลือ เมื่อรู้ว่าวันนี้เป็นวันอะไร และคาดว่าจะเห็นกลุ่มดาวอะไร นักเดินทางที่มีประสบการณ์จึงสามารถระบุได้ว่าทิศใต้อยู่ที่ไหน ทิศตะวันออกอยู่ที่ไหน และจะไปที่ไหน แต่กลับมีคนมีความรู้ไม่เพียงพอเสมอไป และพวกเขาไม่รู้ว่าจะนับเวลาอย่างไรให้แม่นยำในตอนนั้น พระอาทิตย์ตก พระอาทิตย์ขึ้น - นั่นคือจุดสังเกตทั้งหมด และมีหิมะหรือพายุทราย สภาพอากาศที่มีเมฆมากไม่รวมถึงความเป็นไปได้ที่จะเห็นดาวขั้วโลกด้วยซ้ำ

จากนั้นผู้คน (อาจเป็นคนจีนโบราณ แต่นักวิทยาศาสตร์ยังคงโต้เถียงเกี่ยวกับเรื่องนี้) ตระหนักว่าแร่ธาตุหนึ่งชนิดมักจะอยู่ในลักษณะที่แน่นอนซึ่งสัมพันธ์กับจุดสำคัญ คุณสมบัตินี้ถูกใช้เพื่อสร้างเข็มทิศดวงแรก การค้นพบปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้ายังอีกยาวไกล แต่ก็มีการเริ่มต้นเกิดขึ้นแล้ว

จากเข็มทิศสู่แม่เหล็ก

ชื่อ "แม่เหล็ก" เองก็กลับไปเป็นชื่อที่อยู่ด้านบน วงเวียนวงแรกอาจทำจากแร่ที่ขุดได้ในเนินเขาแมกนีเซีย ภูมิภาคนี้ตั้งอยู่ในเอเชียไมเนอร์ และแม่เหล็กก็ดูเหมือนหินสีดำ

วงเวียนแรกนั้นมีความดั้งเดิมมาก น้ำถูกเทลงในชามหรือภาชนะอื่นๆ และมีแผ่นวัสดุลอยน้ำบางๆ วางอยู่ด้านบน และวางลูกศรแม่เหล็กไว้ที่กึ่งกลางของดิสก์ ปลายด้านหนึ่งชี้ไปทางทิศเหนือเสมอ และอีกด้านหันไปทางทิศใต้

ยากที่จะจินตนาการว่าคาราวานช่วยประหยัดน้ำไว้สำหรับเข็มทิศในขณะที่ผู้คนกระหายน้ำ แต่การอยู่ในแนวทางเดิมและปล่อยให้ผู้คน สัตว์ และสิ่งของต่างๆ เข้าถึงความปลอดภัยมีความสำคัญมากกว่าชีวิตของแต่ละคน

วงเวียนได้เดินทางหลายครั้งและพบกับปรากฏการณ์ทางธรรมชาติต่างๆ ไม่น่าแปลกใจเลยที่ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าถูกค้นพบในยุโรป แม้ว่าแร่แม่เหล็กจะถูกขุดครั้งแรกในเอเชียก็ตาม ด้วยวิธีที่ซับซ้อนนี้ ความปรารถนาของชาวยุโรปที่จะนอนหลับสบายยิ่งขึ้น นำไปสู่การค้นพบครั้งสำคัญในวิชาฟิสิกส์

แม่เหล็กหรือไฟฟ้า?

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบวิธีการผลิตไฟฟ้ากระแสตรง แบตเตอรี่ดั้งเดิมก้อนแรกถูกสร้างขึ้น ก็เพียงพอแล้วที่จะส่งกระแสอิเล็กตรอนผ่านตัวนำโลหะ ต้องขอบคุณแหล่งไฟฟ้าแหล่งแรก จึงมีการค้นพบมากมาย

ในปี ค.ศ. 1820 นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตด พบว่าเข็มแม่เหล็กเบี่ยงเบนไปใกล้ตัวนำที่เชื่อมต่อกับเครือข่าย ขั้วบวกของเข็มทิศจะอยู่ในตำแหน่งที่แน่นอนเสมอโดยสัมพันธ์กับทิศทางของกระแส นักวิทยาศาสตร์ทำการทดลองในรูปทรงเรขาคณิตที่เป็นไปได้ทั้งหมด: ตัวนำอยู่เหนือหรือใต้ลูกศรโดยวางขนานหรือตั้งฉาก ผลลัพธ์ก็เหมือนเดิมเสมอ: การเปิดกระแสไฟจะทำให้แม่เหล็กเคลื่อนที่ นี่คือวิธีที่คาดว่าจะมีการค้นพบปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

แต่ความคิดของนักวิทยาศาสตร์ต้องได้รับการยืนยันจากการทดลอง ทันทีหลังจากการทดลองของเออร์สเตด นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ไมเคิล ฟาราเดย์ ถามคำถามว่า “แม่เหล็กและ สนามไฟฟ้าพวกเขามีอิทธิพลซึ่งกันและกันหรือมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิดมากขึ้น? นักวิทยาศาสตร์เป็นคนแรกที่ทดสอบสมมติฐานที่ว่าหากสนามไฟฟ้าทำให้วัตถุที่ถูกแม่เหล็กเบี่ยงเบนไป แม่เหล็กก็ควรสร้างกระแสไฟฟ้า

การออกแบบการทดลองนั้นเรียบง่าย ตอนนี้เด็กนักเรียนคนไหนก็สามารถทำซ้ำได้ ลวดโลหะบางๆ ถูกขดเป็นรูปสปริง ปลายของมันเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ที่บันทึกกระแส เมื่อแม่เหล็กเคลื่อนที่ใกล้ขดลวด ลูกศรของอุปกรณ์จะแสดงแรงดันไฟฟ้า สนามไฟฟ้า. ดังนั้นจึงได้กฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์มา

ความต่อเนื่องของการทดลอง

แต่นั่นไม่ใช่ทั้งหมดที่นักวิทยาศาสตร์ทำ เนื่องจากสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด จึงจำเป็นต้องค้นหาว่ามีความเกี่ยวข้องกันมากเพียงใด

เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ฟาราเดย์จ่ายกระแสให้กับขดลวดหนึ่งและดันเข้าไปในขดลวดที่คล้ายกันอีกอันโดยมีรัศมีใหญ่กว่าครั้งแรก เกิดไฟฟ้าดับอีกครั้งหนึ่ง ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงพิสูจน์ว่า: ประจุที่เคลื่อนที่สร้างทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในเวลาเดียวกัน

ควรเน้นย้ำว่าเรากำลังพูดถึงการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กหรือสนามแม่เหล็กภายในวงปิดของสปริง นั่นก็คือกระแสต้องเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา หากไม่เกิดขึ้น จะไม่มีกระแสเกิดขึ้น

สูตร

กฎของฟาราเดย์สำหรับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าแสดงโดยสูตร

มาถอดรหัสสัญลักษณ์กัน

ε ย่อมาจาก emf หรือแรงเคลื่อนไฟฟ้า ปริมาณนี้เป็นสเกลาร์ (ไม่ใช่เวกเตอร์) และแสดงให้เห็นการทำงานของพลังบางอย่างหรือกฎธรรมชาติที่ใช้ในการสร้างกระแส ควรสังเกตว่างานจะต้องดำเนินการโดยปรากฏการณ์ที่ไม่ใช้ไฟฟ้า

Φ คือฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านวงปิด ค่านี้เป็นผลคูณของอีกสองค่า: ขนาดของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B และพื้นที่ของวงปิด หากสนามแม่เหล็กไม่ได้ตั้งฉากกับเส้นขอบอย่างเคร่งครัด โคไซน์ของมุมระหว่างเวกเตอร์ B และเส้นปกติของพื้นผิวจะถูกเพิ่มเข้าไปในผลิตภัณฑ์

ผลที่ตามมาจากการค้นพบ

กฎหมายนี้ตามมาด้วยกฎหมายอื่น ๆ นักวิทยาศาสตร์คนต่อมาได้กำหนดความขึ้นอยู่กับความเข้มของกระแสไฟฟ้าต่อกำลังและความต้านทานของวัสดุตัวนำ มีการศึกษาคุณสมบัติใหม่และสร้างโลหะผสมที่น่าทึ่งขึ้น ในที่สุด มนุษยชาติก็ถอดรหัสโครงสร้างของอะตอม เจาะลึกความลึกลับของการกำเนิดและการตายของดวงดาว และเปิดเผยจีโนมของสิ่งมีชีวิต

และความสำเร็จทั้งหมดนี้ต้องการ จำนวนมากทรัพยากรและเหนือสิ่งอื่นใดคือไฟฟ้า การผลิตหรือการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่ใดๆ ดำเนินการโดยมีองค์ประกอบสามประการ ได้แก่ บุคลากรที่มีคุณสมบัติเหมาะสม วัสดุที่ใช้ในการผลิต และไฟฟ้าราคาถูก

และนี่เป็นไปได้เมื่อพลังแห่งธรรมชาติสามารถส่งแรงบิดขนาดใหญ่ให้กับโรเตอร์ได้ เช่น แม่น้ำที่มีระดับความสูงต่างกันมาก หุบเขาที่มี ลมแรง, ฟอลต์ที่มีพลังงานแม่เหล็กโลกมากเกินไป

เป็นที่น่าสนใจว่าวิธีการผลิตไฟฟ้าสมัยใหม่ไม่ได้แตกต่างโดยพื้นฐานจากการทดลองของฟาราเดย์ โรเตอร์แม่เหล็กหมุนเร็วมากภายในแกนลวดขนาดใหญ่ สนามแม่เหล็กในขดลวดเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาและเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น

แน่นอนว่าเลือกและ วัสดุที่ดีที่สุดสำหรับแม่เหล็กและตัวนำ และเทคโนโลยีของกระบวนการทั้งหมดแตกต่างอย่างสิ้นเชิง แต่ประเด็นก็คือสิ่งหนึ่ง: มีการใช้หลักการที่ค้นพบในระบบที่ง่ายที่สุด

จนถึงตอนนี้เราได้พิจารณาสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา พบว่ามีการสร้างสนามไฟฟ้า ค่าไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก - โดยประจุเคลื่อนที่ เช่น กระแสไฟฟ้า เรามาทำความรู้จักกับสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลากันดีกว่า

ที่สุด ข้อเท็จจริงที่สำคัญซึ่งถูกค้นพบคือความสัมพันธ์ที่ใกล้เคียงที่สุดระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กที่แปรผันตามเวลาจะสร้างสนามไฟฟ้า และสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก หากไม่มีการเชื่อมโยงระหว่างสนามแม่เหล็ก การปรากฏตัวของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่หลากหลายจะไม่ครอบคลุมเท่าที่เป็นจริง จะไม่มีคลื่นวิทยุหรือแสง

ไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่ผู้ก่อตั้งแนวคิดเรื่องสนามแม่เหล็กไฟฟ้า - ฟาราเดย์ได้ดำเนินการขั้นตอนแรกในการค้นพบคุณสมบัติใหม่ของปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า ฟาราเดย์มั่นใจในธรรมชาติที่เป็นหนึ่งเดียวของระบบไฟฟ้าและ ปรากฏการณ์ทางแม่เหล็ก. ด้วยเหตุนี้เขาจึงค้นพบซึ่งต่อมาได้ก่อให้เกิดพื้นฐานสำหรับการออกแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าของโรงไฟฟ้าทุกแห่งในโลกโดยเปลี่ยน พลังงานกลให้เป็นพลังงานไฟฟ้า (แหล่งอื่นๆ: เซลล์กัลวานิก แบตเตอรี่ ฯลฯ - ให้ส่วนแบ่งพลังงานที่สร้างขึ้นเพียงเล็กน้อย)

ฟาราเดย์ให้เหตุผลว่ากระแสไฟฟ้าสามารถดึงดูดเหล็กชิ้นหนึ่งได้ แม่เหล็กไม่สามารถทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้หรือ?

เป็นเวลานานที่ไม่สามารถค้นพบการเชื่อมต่อนี้ มันเป็นเรื่องยากที่จะเข้าใจสิ่งสำคัญคือ: มีเพียงแม่เหล็กที่เคลื่อนที่หรือสนามแม่เหล็กที่แปรผันตามเวลาเท่านั้นที่สามารถกระตุ้นกระแสไฟฟ้าในขดลวดได้

ข้อเท็จจริงต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าอุบัติเหตุประเภทใดที่สามารถขัดขวางการค้นพบนี้ได้ เกือบจะพร้อมกันกับฟาราเดย์ นักฟิสิกส์ชาวสวิส Colladon พยายามสร้างกระแสไฟฟ้าในขดลวดโดยใช้แม่เหล็ก เมื่อทำงานเขาใช้กัลวาโนมิเตอร์ซึ่งมีเข็มแม่เหล็กแสงติดอยู่ภายในขดลวดของอุปกรณ์ เพื่อที่แม่เหล็กจะไม่ส่งผลโดยตรงต่อเข็ม ปลายของขดลวดที่คอลลาดอนดันแม่เหล็กเข้าไปโดยหวังว่าจะได้รับกระแสไฟฟ้าเข้าไป จึงถูกนำเข้าไปในห้องถัดไปและเชื่อมต่อกับกัลวาโนมิเตอร์ที่นั่น หลังจากใส่แม่เหล็กเข้าไปในขดลวด Colladon ก็เดินเข้าไปในห้องถัดไปและด้วยความผิดหวัง

ฉันแน่ใจว่ากัลวาโนมิเตอร์ไม่แสดงกระแสใดๆ หากเขาต้องเฝ้าดูกัลวาโนมิเตอร์ตลอดเวลาและขอให้ใครสักคนทำงานเกี่ยวกับแม่เหล็ก ก็คงจะมีการค้นพบที่น่าทึ่งเกิดขึ้น แต่สิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้น แม่เหล็กที่อยู่นิ่งสัมพันธ์กับขดลวดจะไม่สร้างกระแสในนั้น

ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยการเกิดกระแสไฟฟ้าในวงจรตัวนำซึ่งอยู่นิ่งในสนามแม่เหล็กที่แปรผันตามเวลาหรือเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กคงที่ในลักษณะที่จำนวนเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กทะลุผ่าน การเปลี่ยนแปลงวงจร มันถูกค้นพบเมื่อวันที่ 29 สิงหาคม พ.ศ. 2374 เป็นกรณีที่ไม่ค่อยเกิดขึ้นนักเมื่อทราบวันที่ค้นพบที่น่าทึ่งครั้งใหม่อย่างแม่นยำ นี่คือคำอธิบายของการทดลองครั้งแรกที่ฟาราเดย์มอบให้:

“ลวดทองแดงยาว 203 ฟุตพันบนแกนไม้กว้าง และระหว่างรอบนั้นพันลวดที่มีความยาวเท่ากัน แต่หุ้มฉนวนตั้งแต่เส้นแรกด้วยด้ายฝ้าย เกลียวอันหนึ่งเชื่อมต่อกับกัลวาโนมิเตอร์และอีกอันเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ที่แข็งแกร่งซึ่งประกอบด้วยแผ่น 100 คู่... เมื่อวงจรถูกปิด จะสังเกตเห็นการกระทำกะทันหันแต่อ่อนแอมากบนกัลวาโนมิเตอร์ และก็สังเกตเห็นสิ่งเดียวกันเมื่อ กระแสหยุดแล้ว ด้วยกระแสที่ไหลอย่างต่อเนื่องผ่านเกลียวใดเกลียวหนึ่งจึงไม่สามารถสังเกตเห็นผลกระทบต่อกัลวาโนมิเตอร์หรือผลกระทบเชิงอุปนัยใด ๆ ต่อเกลียวอีกอันหนึ่งได้เลยแม้ว่าความร้อนของเกลียวทั้งหมดจะเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ก็ตาม และความสว่างของประกายไฟที่กระโดดระหว่างถ่านบ่งบอกถึงพลังงานแบตเตอรี่" (ฟาราเดย์ เอ็ม. " การศึกษาเชิงทดลองเรื่องไฟฟ้า" ชุดที่ 1)

ดังนั้นในขั้นต้นจึงค้นพบการเหนี่ยวนำในตัวนำที่ไม่มีการเคลื่อนที่สัมพันธ์กันเมื่อปิดและเปิดวงจร จากนั้น เมื่อเข้าใจอย่างชัดเจนว่าการนำตัวนำที่มีกระแสไหลเข้ามาใกล้หรือไกลออกไป ควรให้ผลลัพธ์เช่นเดียวกับการปิดและเปิดวงจร ฟาราเดย์ได้พิสูจน์ผ่านการทดลองแล้วว่ากระแสเกิดขึ้นเมื่อขดลวดเคลื่อนที่ซึ่งกันและกัน

เกี่ยวกับเพื่อน ด้วยความคุ้นเคยกับผลงานของแอมแปร์ ฟาราเดย์จึงเข้าใจว่าแม่เหล็กคือกลุ่มของกระแสขนาดเล็กที่ไหลเวียนอยู่ในโมเลกุล เมื่อวันที่ 17 ตุลาคม ตามที่บันทึกไว้ในสมุดบันทึกของห้องปฏิบัติการ เขาถูกพบ กระแสเหนี่ยวนำในขดลวดในขณะที่แม่เหล็กเคลื่อนที่เข้า (หรือออก) ภายในหนึ่งเดือน ฟาราเดย์ได้ทดลองค้นพบคุณลักษณะที่สำคัญทั้งหมดของปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

ในปัจจุบัน ทุกคนสามารถทำการทดลองของฟาราเดย์ซ้ำได้ ในการทำเช่นนี้คุณจะต้องมีคอยล์สองตัว, แม่เหล็ก, แบตเตอรี่ขององค์ประกอบและกัลวาโนมิเตอร์ที่ค่อนข้างละเอียดอ่อน

ในการติดตั้งที่แสดงในรูปที่ 238 กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในขดลวดตัวใดตัวหนึ่งเมื่อปิดหรือเปิด วงจรไฟฟ้าขดลวดอีกอันหนึ่งซึ่งอยู่กับที่สัมพันธ์กับอันแรก ในการติดตั้งในรูปที่ 239 ความแรงของกระแสในคอยล์ตัวใดตัวหนึ่งจะเปลี่ยนไปโดยใช้ลิโน่ ในรูปที่ 240 a กระแสเหนี่ยวนำจะปรากฏขึ้นเมื่อขดลวดเคลื่อนที่สัมพันธ์กันและในรูปที่ 240 b - เมื่อเคลื่อนที่ แม่เหล็กถาวรสัมพันธ์กับขดลวด

ฟาราเดย์เองก็เข้าใจสิ่งทั่วไปที่การปรากฏตัวของกระแสเหนี่ยวนำนั้นขึ้นอยู่กับการทดลองที่ภายนอกดูแตกต่างออกไป

ในวงจรนำไฟฟ้าแบบปิด กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อจำนวนเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่เจาะพื้นที่ที่ถูกจำกัดโดยวงจรนี้เปลี่ยนแปลงไป และยิ่งจำนวนเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงเร็วเท่าไร กระแสเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ในกรณีนี้สาเหตุของการเปลี่ยนแปลงจำนวนเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กนั้นไม่แยแสเลย นี่อาจเป็นการเปลี่ยนแปลงจำนวนเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่เจาะพื้นที่ของวงจรตัวนำนิ่งเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความแรงของกระแสในขดลวดที่อยู่ติดกัน (รูปที่ 238) หรือการเปลี่ยนแปลงจำนวนเส้นเหนี่ยวนำเนื่องจาก ต่อการเคลื่อนตัวของวงจรในสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอ ความหนาแน่นของเส้นซึ่งแตกต่างกันไปในอวกาศ (รูปที่ 241)

ในปีพ.ศ. 2364 ไมเคิล ฟาราเดย์เขียนไว้ในไดอารี่ของเขาว่า “แปลงแม่เหล็กเป็นไฟฟ้า” หลังจากผ่านไป 10 ปี เขาก็แก้ไขปัญหานี้
การค้นพบของฟาราเดย์
ไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่ผู้ก่อตั้งแนวคิดเรื่องสนามแม่เหล็กไฟฟ้า - ฟาราเดย์ได้ดำเนินการขั้นตอนแรกและสำคัญที่สุดในการค้นพบคุณสมบัติใหม่ของปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า ฟาราเดย์มั่นใจในธรรมชาติของปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กที่เป็นหนึ่งเดียว ไม่นานหลังจากการค้นพบของเออร์สเตด เขาเขียนว่า: "... ดูเหมือนผิดปกติมากที่ในด้านหนึ่ง กระแสไฟฟ้าทุกดวงมาพร้อมกับ การกระทำของแม่เหล็กมีความเข้มที่เหมาะสม กำหนดทิศทางเป็นมุมฉากกับกระแส และในขณะเดียวกัน ในตัวนำไฟฟ้าที่ดีซึ่งวางไว้ภายในทรงกลมของการกระทำนี้ จะไม่มีกระแสใดถูกเหนี่ยวนำเลย และไม่มีผลใดๆ ที่เห็นได้เกิดขึ้น มีกำลังเทียบเท่ากัน ถึงกระแสดังกล่าว การทำงานหนักเป็นเวลาสิบปีและความศรัทธาในความสำเร็จทำให้ฟาราเดย์ค้นพบซึ่งต่อมาได้ก่อให้เกิดพื้นฐานสำหรับการออกแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำหรับโรงไฟฟ้าทุกแห่งในโลก โดยเปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า (แหล่งที่มาที่ทำงานบนหลักการอื่นๆ: เซลล์กัลวานิก แบตเตอรี่ ความร้อน และโฟโตเซลล์ - ให้ส่วนแบ่งพลังงานไฟฟ้าที่สร้างขึ้นเพียงเล็กน้อย)
เป็นเวลานานที่ไม่สามารถค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กได้ สิ่งสำคัญยากที่จะเข้าใจ: มีเพียงสนามแม่เหล็กที่แปรผันตามเวลาเท่านั้นที่สามารถกระตุ้นกระแสไฟฟ้าในขดลวดที่อยู่กับที่หรือตัวขดลวดเองจะต้องเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก
การค้นพบการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าดังที่ฟาราเดย์เรียกว่าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 29 สิงหาคม พ.ศ. 2374 เป็นกรณีที่หาได้ยากเมื่อทราบวันที่ของการค้นพบที่น่าทึ่งครั้งใหม่อย่างแม่นยำ ที่นี่ คำอธิบายสั้นการทดลองครั้งแรกโดยฟาราเดย์เอง
“ลวดทองแดงยาว 203 ฟุตพันบนแกนไม้กว้าง และระหว่างรอบนั้นพันลวดที่มีความยาวเท่ากัน แต่หุ้มฉนวนตั้งแต่เส้นแรกด้วยด้ายฝ้าย เกลียวอันหนึ่งเชื่อมต่อกับกัลวาโนมิเตอร์และอีกอันเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ที่แข็งแกร่งซึ่งประกอบด้วยแผ่น 100 คู่... เมื่อวงจรถูกปิด จะสังเกตเห็นผลกระทบอย่างกะทันหันแต่อ่อนแอมากต่อกัลวาโนมิเตอร์ และก็สังเกตเห็นสิ่งเดียวกันเมื่อ กระแสหยุดแล้ว ด้วยการที่กระแสไหลผ่านเกลียวอันใดอันหนึ่งอย่างต่อเนื่อง ทำให้ไม่สามารถสังเกตเห็นผลกระทบต่อกัลวาโนมิเตอร์หรือผลกระทบเชิงอุปนัยต่อเกลียวอีกอันหนึ่งได้เลย โดยไม่สามารถสังเกตได้ 5.1
โดยสังเกตว่าความร้อนของคอยล์ทั้งหมดที่เชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ และความสว่างของประกายไฟที่กระโดดระหว่างถ่าน บ่งบอกถึงกำลังของแบตเตอรี่”
ดังนั้นในขั้นต้นจึงค้นพบการเหนี่ยวนำในตัวนำที่ไม่มีการเคลื่อนที่สัมพันธ์กันเมื่อปิดและเปิดวงจร จากนั้น เมื่อเข้าใจอย่างชัดเจนว่าการนำตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าเข้ามาใกล้หรือไกลออกไปควรนำไปสู่ผลลัพธ์เช่นเดียวกับการปิดและเปิดวงจร ฟาราเดย์พิสูจน์โดยการทดลองว่ากระแสเกิดขึ้นเมื่อขดลวดเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน (รูปที่ 5.1) ด้วยความคุ้นเคยกับผลงานของแอมแปร์ ฟาราเดย์จึงเข้าใจว่าแม่เหล็กคือกลุ่มของกระแสขนาดเล็กที่ไหลเวียนอยู่ในโมเลกุล ตามที่บันทึกไว้ในสมุดบันทึกของห้องปฏิบัติการเมื่อวันที่ 17 ตุลาคม ตรวจพบกระแสเหนี่ยวนำในขดลวดในขณะที่แม่เหล็กถูกผลักเข้า (หรือดึงออก) (รูปที่ 5.2) ภายในหนึ่งเดือน ฟาราเดย์ได้ทดลองค้นพบคุณลักษณะที่สำคัญทั้งหมดของปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า สิ่งที่เหลืออยู่คือการให้กฎหมายมีรูปแบบเชิงปริมาณที่เข้มงวดและเปิดเผยอย่างสมบูรณ์ ธรรมชาติทางกายภาพปรากฏการณ์
ฟาราเดย์เองก็เข้าใจสิ่งทั่วไปที่การปรากฏตัวของกระแสเหนี่ยวนำนั้นขึ้นอยู่กับการทดลองที่ภายนอกดูแตกต่างออกไป
ในวงจรนำไฟฟ้าแบบปิด กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อจำนวนเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่เจาะพื้นผิวที่ล้อมรอบด้วยวงจรนี้เปลี่ยนแปลงไป และยิ่งจำนวนเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงเร็วเท่าไร กระแสที่เกิดขึ้นก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ในกรณีนี้สาเหตุของการเปลี่ยนแปลงจำนวนเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กนั้นไม่แยแสเลย นี่อาจเป็นการเปลี่ยนแปลงจำนวนเส้นของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่เจาะตัวนำที่อยู่กับที่เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความแรงของกระแสในขดลวดข้างเคียง หรือการเปลี่ยนแปลงจำนวนเส้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ของวงจรในลักษณะไม่สม่ำเสมอ สนามแม่เหล็กความหนาแน่นของเส้นที่แตกต่างกันไปในอวกาศ (รูปที่ 5.3)
ฟาราเดย์ไม่เพียงแต่ค้นพบปรากฏการณ์นี้เท่านั้น แต่ยังเป็นคนแรกที่สร้างแบบจำลองเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้าที่ยังไม่สมบูรณ์ซึ่งแปลงพลังงานการหมุนเชิงกลให้เป็นกระแสไฟฟ้า มันเป็นแผ่นทองแดงขนาดใหญ่ที่หมุนระหว่างขั้วของแม่เหล็กแรงสูง (รูปที่ 5.4) เมื่อเชื่อมต่อแกนและขอบของจานเข้ากับกัลวาโนมิเตอร์ ฟาราเดย์จึงค้นพบความเบี่ยงเบน
ใน
\

\
\
\
\
\
\
\ล

ลูกศรชี้ S. อย่างไรก็ตาม กระแสน้ำมีกำลังอ่อน แต่หลักการที่พบทำให้สามารถสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ทรงพลังได้ในภายหลัง หากไม่มีพวกเขา ไฟฟ้าก็ยังคงเป็นสิ่งฟุ่มเฟือยสำหรับบางคน
กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในวงปิดนำไฟฟ้า ถ้าวงอยู่ในสนามแม่เหล็กสลับหรือเคลื่อนที่ในสนามคงที่เวลา ดังนั้นจำนวนเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่ทะลุผ่านวงจะเปลี่ยนไป ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าถูกค้นพบโดยไมล์ ฟาราเดย์ในปี พ.ศ. 2374 เมื่อ 10 ปีก่อน ฟาราเดย์กำลังคิดหาวิธีเปลี่ยนแม่เหล็กให้เป็นไฟฟ้า เขาเชื่อว่าสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าจะต้องเชื่อมต่อกัน

การค้นพบการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

ตัวอย่างเช่น การใช้สนามไฟฟ้าทำให้วัตถุเหล็กกลายเป็นแม่เหล็กได้ มันน่าจะเป็นไปได้ที่จะสร้างกระแสไฟฟ้าโดยใช้แม่เหล็ก

ประการแรก ฟาราเดย์ค้นพบปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าในตัวนำที่ไม่มีการเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน เมื่อมีกระแสไฟฟ้าปรากฏขึ้นที่ขดลวดอันใดอันหนึ่ง กระแสก็ถูกเหนี่ยวนำในขดลวดอีกอันด้วย ยิ่งไปกว่านั้นในอนาคตมันหายไปและปรากฏขึ้นอีกครั้งเมื่อปิดไฟของคอยล์เดียวเท่านั้น

หลังจากนั้นไม่นาน ฟาราเดย์ได้พิสูจน์ผ่านการทดลองว่าเมื่อขดลวดที่ไม่มีกระแสเคลื่อนที่ในวงจรที่สัมพันธ์กับวงจรอื่น ซึ่งปลายของวงจรนั้นได้รับแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นในขดลวดแรกด้วย

การทดลองครั้งต่อไปคือการนำแม่เหล็กเข้าไปในขดลวดและในขณะเดียวกันก็มีกระแสปรากฏอยู่ในนั้น การทดลองเหล่านี้แสดงไว้ในรูปต่อไปนี้

ฟาราเดย์ได้กำหนดสาเหตุหลักสำหรับการปรากฏตัวของกระแสไฟฟ้าในวงจรปิด ในวงจรนำไฟฟ้าแบบปิด กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อจำนวนเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่ทะลุผ่านวงจรนี้เปลี่ยนแปลง

ยิ่งการเปลี่ยนแปลงนี้มากเท่าไร กระแสเหนี่ยวนำก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น ไม่สำคัญว่าเราจะเปลี่ยนแปลงจำนวนเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กได้อย่างไร ตัวอย่างเช่น สามารถทำได้โดยการย้ายวงจรในสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอ เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในการทดลองกับแม่เหล็กหรือการเคลื่อนขดลวด ตัวอย่างเช่น เราสามารถเปลี่ยนความแรงของกระแสในขดลวดที่อยู่ติดกับวงจรได้ และสนามแม่เหล็กที่สร้างโดยขดลวดนี้จะเปลี่ยนไป

คำชี้แจงของกฎหมาย

มาสรุปสั้นๆ กัน ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นปรากฏการณ์ของการเกิดกระแสในวงจรปิดเมื่อสนามแม่เหล็กซึ่งวงจรนี้ตั้งอยู่เปลี่ยนแปลงไป

สำหรับการกำหนดกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าที่แม่นยำยิ่งขึ้น จำเป็นต้องแนะนำปริมาณที่จะกำหนดลักษณะของสนามแม่เหล็ก - ฟลักซ์ของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็ก

เวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กถูกกำหนดด้วยตัวอักษร B ซึ่งจะระบุลักษณะของสนามแม่เหล็กที่จุดใดก็ได้ในอวกาศ ตอนนี้ให้พิจารณารูปร่างแบบปิดที่ล้อมรอบพื้นผิวของพื้นที่ S ให้เราวางมันไว้ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ

จะมีมุมหนึ่งระหว่างเวกเตอร์ปกติกับพื้นผิวและเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กФ ผ่านพื้นผิวของพื้นที่ S เรียกว่า ปริมาณทางกายภาพเท่ากับผลคูณของขนาดของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กด้วยพื้นที่ผิวและโคไซน์ของมุมระหว่างเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กกับเส้นปกติของเส้นขอบ

Ф = B*S*คอส(ก)

ผลคูณ B*cos(a) คือการฉายภาพของเวกเตอร์ B ลงบนเส้นปกติ ดังนั้น แบบฟอร์มของฟลักซ์แม่เหล็กจึงสามารถเขียนใหม่ได้ดังนี้

หน่วยของฟลักซ์แม่เหล็กคือเวเบอร์ ระบุโดย 1 Wb สร้างฟลักซ์แม่เหล็กขนาด 1Wb สนามแม่เหล็กด้วยการเหนี่ยวนำ 1 T ผ่านพื้นที่ผิว 1 m^2 ซึ่งตั้งฉากกับเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก