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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Elektromagnetische Induktion. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen Nach Entdeckungen Örsted и Ampere wurde klar, dass elektrizität eine magnetische kraft hat. Nun galt es, den Einfluss magnetischer Phänomene auf elektrische zu bestätigen. Dieses Problem wurde von Faraday brillant gelöst. Michael Faraday (1791-1867) wurde in London geboren, einem der ärmsten Stadtteile. Sein Vater war Schmied und seine Mutter war die Tochter eines Pächters. Als Faraday das schulpflichtige Alter erreichte, wurde er in die Grundschule geschickt. Der Kurs, den Faraday hier einschlug, war sehr eng und beschränkte sich nur auf die Vermittlung von Lesen, Schreiben und den Beginn des Zählens. Ein paar Schritte von dem Haus entfernt, in dem die Familie Faraday lebte, gab es eine Buchhandlung, die auch eine Buchbinderei war. Hierhin geriet Faraday nach Abschluss der Grundschulzeit, als sich die Frage nach der Berufswahl für ihn stellte. Michael war damals erst 13 Jahre alt. Schon in seiner Jugend, als Faraday gerade mit seiner Selbsterziehung begonnen hatte, strebte er danach, sich ausschließlich auf Fakten zu verlassen und die Berichte anderer mit seinen eigenen Erfahrungen zu verifizieren. Diese Bestrebungen beherrschten ihn sein ganzes Leben lang als Hauptmerkmale seiner wissenschaftlichen Tätigkeit. Faraday begann als Junge bei der ersten Bekanntschaft mit Physik und Chemie mit physikalischen und chemischen Experimenten. Einmal besuchte Michael eine der Vorlesungen von Humphry Davy, dem großen englischen Physiker. Faraday machte sich eine ausführliche Notiz über den Vortrag, band ihn und schickte ihn an Davy. Er war so beeindruckt, dass er Faraday anbot, mit ihm als Sekretär zu arbeiten. Bald ging Davy auf eine Reise nach Europa und nahm Faraday mit. Zwei Jahre lang besuchten sie die größten europäischen Universitäten. Nach seiner Rückkehr nach London im Jahr 1815 begann Faraday als Assistent in einem der Laboratorien der Royal Institution in London zu arbeiten. Es war damals eines der besten physikalischen Laboratorien der Welt.Von 1816 bis 1818 veröffentlichte Faraday eine Reihe kleiner Notizen und kleiner Memoiren zur Chemie. Faradays erste physikalische Arbeit stammt aus dem Jahr 1818. Basierend auf den Erfahrungen seiner Vorgänger und der Kombination mehrerer seiner eigenen Erfahrungen hatte Michael bis September 1821 "Die Erfolgsgeschichte des Elektromagnetismus" veröffentlicht. Schon damals hat er sich eine völlig korrekte Vorstellung vom Wesen des Phänomens der Auslenkung einer Magnetnadel unter Stromeinwirkung gemacht. Nach diesem Erfolg unterbrach Faraday sein Studium auf dem Gebiet der Elektrizität für zehn Jahre und widmete sich dem Studium einer Reihe von Themen anderer Art. Im Jahr 1823 machte Faraday eine der bedeutendsten Entdeckungen auf dem Gebiet der Physik – er gelang erstmals die Verflüssigung eines Gases und etablierte gleichzeitig eine einfache, aber gültige Methode, um Gase in eine Flüssigkeit umzuwandeln. 1824 machte Faraday mehrere Entdeckungen auf dem Gebiet der Physik. Er stellte unter anderem fest, dass Licht die Farbe von Glas beeinflusst und diese verändert. Im folgenden Jahr wendet sich Faraday erneut von der Physik der Chemie zu, und das Ergebnis seiner Arbeiten auf diesem Gebiet ist die Entdeckung von Benzin und schwefelhaltiger Naphthalinsäure. 1831 veröffentlichte Faraday eine Abhandlung über eine besondere Art der optischen Täuschung, die als Grundlage für ein schönes und merkwürdiges optisches Projektil namens "Chromotrop" diente. Im selben Jahr wurde eine weitere Abhandlung des Wissenschaftlers „Über vibrierende Platten“ veröffentlicht. Viele dieser Werke könnten den Namen ihres Autors verewigen. Aber die wichtigsten von Faradays wissenschaftlichen Arbeiten sind seine Forschungen auf dem Gebiet des Elektromagnetismus und der elektrischen Induktion. Ein wichtiges Gebiet der Physik, das sich mit den Phänomenen des Elektromagnetismus und der induktiven Elektrizität befasst und für die Technik derzeit von so enormer Bedeutung ist, wurde streng genommen von Faraday aus dem Nichts geschaffen. Als Faraday sich schließlich der Forschung auf dem Gebiet der Elektrizität widmete, wurde festgestellt, dass unter normalen Bedingungen die Anwesenheit eines elektrifizierten Körpers ausreicht, um durch seinen Einfluss Elektrizität in jedem anderen Körper anzuregen. Gleichzeitig war bekannt, dass der Draht, durch den der Strom fließt und der auch ein elektrifizierter Körper ist, keine Wirkung auf andere Drähte in der Nähe hat. Was hat diese Ausnahme verursacht? Dies ist die Frage, die Faraday interessierte und deren Lösung ihn zu den wichtigsten Entdeckungen auf dem Gebiet der Induktionselektrizität führte. Wie üblich begann Faraday eine Reihe von Experimenten, die den Kern der Sache klären sollten. Faraday wickelte zwei isolierte Drähte parallel zueinander auf dasselbe hölzerne Nudelholz. Er verband die Enden eines Drahtes mit einer Batterie aus zehn Elementen und die Enden des anderen mit einem empfindlichen Galvanometer. Als der Strom durch den ersten Draht floss, richtete Faraday seine ganze Aufmerksamkeit auf das Galvanometer und erwartete, an seinen Schwingungen das Auftreten eines Stroms im zweiten Draht zu erkennen. Allerdings geschah nichts dergleichen: Das Galvanometer blieb ruhig. Faraday beschloss, den Strom zu erhöhen und fügte 120 galvanische Zellen in den Stromkreis ein. Das Ergebnis ist das gleiche. Faraday wiederholte dieses Experiment Dutzende Male, alle mit demselben Erfolg. Jeder andere an seiner Stelle hätte das Experiment verlassen, überzeugt davon, dass der durch den Draht fließende Strom keinen Einfluss auf den angrenzenden Draht hat. Aber Faraday versuchte immer, aus seinen Experimenten und Beobachtungen alles herauszuholen, was sie geben konnten, und da er keine direkte Wirkung auf den mit dem Galvanometer verbundenen Draht hatte, begann er nach Nebenwirkungen zu suchen. Er bemerkte sofort, dass das Galvanometer, das während des gesamten Stromdurchgangs vollkommen still blieb, beim Schließen und Öffnen des Stromkreises in Schwingung gerät. Es stellte sich heraus, dass in dem Moment, in dem ein Strom in den ersten Draht geleitet wird und auch wenn diese Übertragung aufhört, auch in dem zweiten Draht ein Strom angeregt wird, der im ersten Fall die entgegengesetzte Richtung zum ersten Strom hat und der ist Dasselbe gilt auch im zweiten Fall und dauert nur einen Augenblick. Diese sekundären Augenblicksströme, die durch den Einfluss primärer Ströme verursacht werden, wurden von Faraday als induktiv bezeichnet, und dieser Name ist ihnen bis heute erhalten geblieben. Da induktive Ströme augenblicklich sind und nach ihrem Auftreten sofort verschwinden, hätten sie keine praktische Bedeutung, wenn Faraday nicht mit Hilfe einer ausgeklügelten Vorrichtung (Schalter) einen Weg gefunden hätte, den von der Batterie kommenden Primärstrom ständig zu unterbrechen und wieder durch die Batterie zu leiten ersten Draht, wodurch im zweiten Draht kontinuierlich durch immer mehr induktive Ströme erregt wird und somit konstant wird. So wurde neben den bisher bekannten (Reibungs- und chemischen Prozessen) eine neue Quelle elektrischer Energie gefunden – die Induktion, und eine neue Art dieser Energie – die Induktionselektrizität. Faraday setzte seine Experimente fort und entdeckte weiter, dass eine einfache Annäherung eines zu einer geschlossenen Kurve verdrillten Drahtes an einen anderen, entlang dem ein galvanischer Strom fließt, ausreicht, um einen induktiven Strom in der dem galvanischen Strom entgegengesetzten Richtung in einem Neutralleiter zu erregen, d.h das Entfernen eines Neutralleiters wieder einen induktiven Strom in ihm erregt, der Strom bereits in der gleichen Richtung ist wie der galvanische Strom, der entlang eines festen Drahtes fließt, und dass diese induktiven Ströme schließlich nur beim Annähern und Entfernen des Neutralleiters angeregt werden Draht zum Leiter des galvanischen Stroms, und ohne diese Bewegung werden die Ströme nicht angeregt, egal wie nahe die Drähte beieinander liegen . Somit wurde ein neues Phänomen entdeckt, ähnlich dem oben beschriebenen Phänomen der Induktion während des Schließens und Beendens des galvanischen Stroms. Diese Entdeckungen führten wiederum zu neuen Erkenntnissen. Wenn es möglich wäre, durch Schließen und Stoppen des galvanischen Stroms einen induktiven Strom zu erzeugen, würde dann nicht das gleiche Ergebnis durch die Magnetisierung und Entmagnetisierung von Eisen erzielt werden? Die Arbeit von Oersted und Ampère hatte bereits den Zusammenhang zwischen Magnetismus und Elektrizität nachgewiesen. Es war bekannt, dass Eisen zu einem Magneten wurde, wenn ein isolierter Draht um es gewickelt wurde und ein galvanischer Strom durch ihn floss, und dass die magnetischen Eigenschaften dieses Eisens aufhörten, sobald der Strom aufhörte. Auf dieser Grundlage entwickelte Faraday ein Experiment dieser Art: Zwei isolierte Drähte wurden um einen Eisenring gewickelt; außerdem wurde ein Draht um die eine Hälfte des Rings gewickelt, der andere um die andere. Durch einen Draht wurde ein Strom aus einer galvanischen Batterie geleitet, und die Enden des anderen wurden mit einem Galvanometer verbunden. Wenn also der Strom geschlossen oder gestoppt wurde und folglich der Eisenring magnetisiert oder entmagnetisiert wurde, oszillierte die Galvanometernadel schnell und stoppte dann schnell, das heißt, im Neutralleiter wurden dieselben augenblicklichen induktiven Ströme erregt – dies Zeit: bereits unter dem Einfluss von Magnetismus. Hier wurde also erstmals Magnetismus in Elektrizität umgewandelt. Nachdem Faraday diese Ergebnisse erhalten hatte, beschloss er, seine Experimente zu diversifizieren. Anstelle eines Eisenrings begann er, ein Eisenband zu verwenden. Anstatt den Magnetismus in Eisen durch einen galvanischen Strom anzuregen, magnetisierte er das Eisen, indem er es mit einem Permanentmagneten aus Stahl berührte. Das Ergebnis war dasselbe: In dem um das Eisen gewickelten Draht wurde immer im Moment der Magnetisierung und Entmagnetisierung des Eisens ein Strom angeregt. Dann führte Faraday einen Stahlmagneten in die Drahtspirale ein – dessen Annäherung und Entfernung verursachte Induktionsströme im Draht. Kurz gesagt, der Magnetismus im Sinne der Erregung induktiver Ströme verhielt sich genauso wie der galvanische Strom. Damals beschäftigten sich die Physiker intensiv mit einem mysteriösen Phänomen, das 1824 von Arago entdeckt wurde, und fanden trotzdem keine Erklärung; dass diese Erklärung von so bedeutenden Wissenschaftlern der Zeit wie Arago selbst, Ampère, Poisson, Babaj und Herschel intensiv gesucht wurde. Die Sache war folgende. Eine frei hängende Magnetnadel kommt schnell zum Stillstand, wenn man einen Kreis aus nicht magnetischem Metall darunter bringt; wird der Kreis dann in Drehbewegung versetzt, beginnt die Magnetnadel ihm zu folgen. In einem ruhigen Zustand war es unmöglich, die geringste Anziehung oder Abstoßung zwischen dem Kreis und dem Pfeil zu entdecken, während derselbe Kreis, der sich bewegte, nicht nur einen leichten Pfeil, sondern auch einen schweren Magneten hinter sich herzog. Dieses wahrhaft wundersame Phänomen erschien den damaligen Wissenschaftlern als ein mysteriöses Rätsel, etwas jenseits des Natürlichen. Faraday ging auf der Grundlage seiner obigen Daten davon aus, dass ein Kreis aus nichtmagnetischem Metall unter dem Einfluss eines Magneten während der Rotation durch induktive Ströme umgewälzt wird, die auf die Magnetnadel einwirken und sie hinter den Magneten ziehen. Indem er den Rand des Kreises zwischen die Pole eines großen hufeisenförmigen Magneten einführte und die Mitte und den Rand des Kreises mit einem Galvanometer mit einem Draht verband, erhielt Faraday während der Drehung des Kreises einen konstanten elektrischen Strom. Im Anschluss daran entschied sich Faraday für ein weiteres Phänomen, das damals allgemeine Neugier erregte. Wie Sie wissen, werden Eisenspäne, wenn sie auf einen Magneten gestreut werden, entlang bestimmter Linien gruppiert, die Magnetkurven genannt werden. Faraday machte auf dieses Phänomen aufmerksam und gab 1831 magnetischen Kurven den Namen "magnetische Kraftlinien", der dann allgemein verwendet wurde. Die Untersuchung dieser "Linien" führte Faraday zu einer neuen Entdeckung, es stellte sich heraus, dass für die Anregung induktiver Ströme die Annäherung und Entfernung der Quelle vom Magnetpol nicht erforderlich ist. Um Ströme anzuregen, genügt es, die magnetischen Kraftlinien auf bekannte Weise zu kreuzen. Weitere Werke Faradays in der genannten Richtung erhielten aus heutiger Sicht den Charakter von etwas ganz Wunderbarem. Anfang 1832 demonstrierte er einen Apparat, in dem induktive Ströme ohne Zuhilfenahme eines Magneten oder galvanischen Stroms angeregt wurden. Das Gerät bestand aus einem Eisenstreifen, der in eine Drahtspule gelegt wurde. Dieses Gerät gab unter gewöhnlichen Bedingungen nicht das geringste Anzeichen für das Auftreten von Strömen darin; aber sobald ihm eine Richtung gegeben wurde, die der Richtung der Magnetnadel entsprach, wurde im Draht ein Strom erregt. Dann gab Faraday einer Spule die Position der Magnetnadel und führte dann einen Eisenstreifen hinein: der Strom wurde wieder angeregt. Der Grund, der den Strom in diesen Fällen verursachte, war Erdmagnetismus, der induktive Ströme wie ein gewöhnlicher Magnet oder galvanischer Strom verursachte. Um dies deutlicher zu zeigen und zu beweisen, unternahm Faraday ein weiteres Experiment, das seine Ideen voll bestätigte. Er argumentierte, dass, wenn ein Kreis aus nichtmagnetischem Metall, zum Beispiel Kupfer, der sich in einer Position dreht, in der er die magnetischen Kraftlinien eines benachbarten Magneten schneidet, einen induktiven Strom liefert, dann derselbe Kreis, der sich in Abwesenheit dreht ein Magnet, aber in einer Position, in der der Kreis die Linien des Erdmagnetismus kreuzt, muss auch einen induktiven Strom abgeben. Und tatsächlich gab ein in einer horizontalen Ebene gedrehter Kupferkreis einen induktiven Strom, der eine merkliche Abweichung der Galvanometernadel hervorrief. Eine Reihe von Studien auf dem Gebiet der elektrischen Induktion Faraday endete mit der 1835 gemachten Entdeckung „der induktiven Wirkung des Stroms auf sich selbst“. Er fand heraus, dass beim Schließen oder Öffnen eines galvanischen Stroms im Draht selbst, der als Leiter für diesen Strom dient, augenblickliche induktive Ströme angeregt werden. Russischer Physiker Emil Christoforowitsch Lenz (1804–1861) gab eine Regel zur Bestimmung der Richtung eines induzierten Stroms an. „Der Induktionsstrom ist immer so gerichtet, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld die Bewegung, die die Induktion verursacht, behindert oder verlangsamt“, bemerkt A. A. Korobko-Stefanov in seinem Artikel über die elektromagnetische Induktion. „Zum Beispiel, wenn sich eine Spule einem Magneten nähert , hat der resultierende induktive Strom eine solche Richtung, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld dem Magnetfeld des Magneten entgegengesetzt ist. Dadurch entstehen zwischen Spule und Magnet abstoßende Kräfte. Die Lenzsche Regel folgt aus dem Energieerhaltungs- und -umwandlungsgesetz. Wenn Induktionsströme die Bewegung beschleunigen würden, die sie verursachte, würde Arbeit aus dem Nichts entstehen. Die Spule selbst würde nach einem kleinen Stoß auf den Magneten zueilen, und gleichzeitig würde der Induktionsstrom darin Wärme freisetzen. In Wirklichkeit entsteht der Induktionsstrom dadurch, dass Magnet und Spule näher zusammengebracht werden. Warum gibt es einen Induktionsstrom? Eine tiefgreifende Erklärung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion wurde von einem englischen Physiker gegeben James Clerk Maxwell - der Schöpfer der vollständigen mathematischen Theorie des elektromagnetischen Feldes. Um den Kern der Sache besser zu verstehen, betrachten Sie ein sehr einfaches Experiment. Die Spule bestehe aus einer Drahtwindung und werde von einem magnetischen Wechselfeld senkrecht zur Windungsebene durchdrungen. In der Spule herrscht natürlich ein Induktionsstrom. Maxwell interpretierte dieses Experiment mit außergewöhnlichem Mut und Unerwartetheit. Wenn sich das Magnetfeld im Raum ändert, entsteht laut Maxwell ein Vorgang, für den das Vorhandensein einer Drahtspule keine Rolle spielt. Die Hauptsache ist hier das Auftreten geschlossener Ringlinien des elektrischen Feldes, die das sich ändernde Magnetfeld abdecken. Unter der Wirkung des entstehenden elektrischen Feldes beginnen sich Elektronen zu bewegen und in der Spule entsteht ein elektrischer Strom. Eine Spule ist lediglich ein Gerät, mit dem Sie ein elektrisches Feld erkennen können. Der Kern des Phänomens der elektromagnetischen Induktion besteht darin, dass ein magnetisches Wechselfeld im umgebenden Raum immer ein elektrisches Feld mit geschlossenen Kraftlinien erzeugt. Ein solches Feld wird Wirbelfeld genannt. Die Forschung auf dem Gebiet der durch Erdmagnetismus erzeugten Induktion gab Faraday die Möglichkeit, bereits 1832 die Idee eines Telegrafen zum Ausdruck zu bringen, die dann die Grundlage dieser Erfindung bildete. Generell wird die Entdeckung der elektromagnetischen Induktion nicht ohne Grund den herausragendsten Entdeckungen des XNUMX. Jahrhunderts zugeschrieben – auf diesem Phänomen basiert die Arbeit von Millionen Elektromotoren und Stromgeneratoren auf der ganzen Welt ... Autor: Samin D. K.
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