Двустороннее движение электричества. Тесла. Переменный ток - [8]
Соотечественник Гальвани, физик Алессандро Вольта (1745-1827), не был согласен с такой трактовкой, пребывая в уверенности, что заряд возникает не в мышцах животного, а при соединении двух металлов, и попытался доказать это в 1800 году. Вольта экспериментировал с разными металлами, которые контактировали у него без мышечных волокон, посредством растворов. Он помещал металлы в сосуды с водой, где была высокая концентрация соли, и складывал их один на другой.
Чтобы жидкость не проливалась, он заполнял сосуды чередующимися дисками из меди и цинка, между которыми помещал прокладки из картона или сукна, пропитанные электролитом. Вольта обнаружил, что эти сосуды дают постоянный ток, в отличие от лейденской банки, где заряд накапливается и происходит мгновенная разрядка. Батареи Вольты, как их назвали в честь изобретателя, стали первым устройством в истории для получения электрической энергии. Напряжение батареи измеряется в вольтах (тоже в честь изобретателя).
Понятие магнитного поля — одно из основных в физике. Оно возникло в силу необходимости объяснить взаимодействие на расстоянии между телами. Вначале его определяли как пространство, в котором распространяются потенциальные силы, проявляющие себя при особых обстоятельствах. Фарадей предложил эту идею для объяснения действия магнита. Наблюдая за мгновенным распределением железных опилок, рассыпанных вокруг магнита, он подумал, что в пространстве должны существовать невидимые силы, готовые проявиться. После этого данная идея стала применяться ко всем дистанционно действующим силам: Земля образует вокруг себя гравитационное и магнитное поля, электрический заряд образует электрическое поле и так далее.
В середине XIX века английский изобретатель-самоучка Майкл Фарадей (1791-1867) сделал решительный шаг к пониманию электрических явлений. На основе экспериментальных данных, без опоры на математику, он связал электричество с магнетизмом — прежде данные явления изучались отдельно. Фарадей открыл электромагнитную индукцию, позволившую создать генераторы и электрические двигатели, а также законы электролиза. В результате его считают отцом электромагнетизма и электрохимии.
РИС. 3
Эффект Эрстеда, согласно которому при прохождении тока по проводнику рядом с компасом стрелка компаса отклоняется в направлении проводника. Фарадей и Ампер частично основывали свои работы на открытии датского ученого, установившего связь электричества и магнетизма.
Фарадей изучил старый опыт, который до сих пор показывают на уроках физики: если рассыпать железные опилки на бумаге, расположенной над магнитом, то они образуют кривые линии, соединяющие полюсы магнита. Фарадей заявил, что эти силовые магнетические линии — визуальный образ магнитного поля. С другой стороны, Фарадей знал об открытом датским ученым свойстве, которое устанавливало несомненную связь электричества и магнетизма. В 1811 году Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851) увидел, что при расположении компаса возле провода, по которому пропускается электрический ток, стрелка отклоняется, занимая перпендикулярное положение к проводу (см. рисунок 3). Фарадей догадался, что электрический ток тоже может образовывать магнитные силовые линии вокруг провода.
Эти догадки смог подтвердить Андре-Мари Ампер (1775— 1836), продолживший исследования Эрстеда. В своих опытах Ампер увидел, что провод, по которому течет электрический ток, ведет себя как магнит: два параллельных провода, по которым ток проходит в одном направлении, взаимно притягиваются, а когда направление тока противоположное, провода взаимно отталкиваются. Французский ученый открыл, что провод, намотанный на катушку, при прохождении по нему электрического тока подобен магниту. Именно он впервые использовал понятие «электромагнетизм».
РИС. 4
В динамо-машине Фарадея кинетическая энергия движения вращающегося медного диска превращается в электричество, так как диск пересекает силовые линии магнита, индуцируя электрический ток.
Таким образом, базовым принципом электромагнетизма является следующее: когда два электрических заряда находятся в движении, между ними возникает магнитная сила (кроме электростатической силы, которая, согласно закону Кулона, имеется между двумя зарядами в состоянии покоя). Все проявления магнитных феноменов могут быть объяснены силой, возникающей между движущимися зарядами.
После этого Фарадей задался вопросом: а может ли все быть наоборот? Способен ли магнит вызывать электрический ток такой же, как от батарейки? Он поставил 29 августа 1831 года решающий эксперимент: ученый вращал намотанный на катушку провод вокруг магнитного сердечника и действительно добился возникновения электрического тока (см. рисунок 4). Исследуя данный феномен, он понял, что ток появляется из-за пересечения проводом магнитных силовых линий. Так он открыл принцип электрической индукции: переменное магнитное поле индуцирует электродвижущую силу. Закон Фарадея гласит, что величина ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Кроме того, Фарадею удалось создать первый электрический генератор, или динамо-машину (от греческого dinamis — «сила»), в которой электричество возникало от механического движения.
