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LE PRINCIPALI SCOPERTE SCIENTIFICHE
Induzione elettromagnetica. Storia ed essenza della scoperta scientifica
Elenco / Le scoperte scientifiche più importanti Dopo le scoperte Oersted и Ampere divenne chiaro che l'elettricità ha una forza magnetica. Ora era necessario confermare l'influenza dei fenomeni magnetici su quelli elettrici. Questo problema è stato brillantemente risolto da Faraday. Michael Faraday (1791-1867) nacque a Londra, una delle zone più povere di essa. Suo padre era un fabbro e sua madre era la figlia di un fittavolo. Quando Faraday raggiunse l'età scolare, fu mandato alla scuola elementare. Il corso seguito da Faraday qui era molto ristretto e limitato solo all'insegnamento della lettura, della scrittura e dell'inizio del conteggio. A pochi passi dalla casa dove abitava la famiglia Faraday c'era una libreria, che era anche legatoria. È qui che è arrivato Faraday, dopo aver completato il corso di scuola elementare, quando è sorta la domanda sulla scelta di una professione per lui. Michael a quel tempo aveva solo 13 anni. Già in gioventù, quando Faraday aveva appena iniziato la sua autoeducazione, si sforzava di fare affidamento esclusivamente sui fatti e di verificare i resoconti degli altri con le proprie esperienze. Queste aspirazioni dominarono in lui per tutta la vita come le caratteristiche principali della sua attività scientifica. Faraday iniziò a fare esperimenti fisici e chimici da ragazzo alle prime conoscenze di fisica e chimica. Una volta Michael ha frequentato una delle lezioni di Humphry Davy, il grande fisico inglese. Faraday ha preso nota dettagliata della conferenza, l'ha rilegata e l'ha inviata a Davy. Fu così colpito che offrì a Faraday di lavorare con lui come segretario. Presto Davy partì per un viaggio in Europa e portò con sé Faraday. Per due anni hanno visitato le più grandi università europee. Tornato a Londra nel 1815, Faraday iniziò a lavorare come assistente in uno dei laboratori della Royal Institution di Londra. A quel tempo era uno dei migliori laboratori di fisica del mondo.Dal 1816 al 1818 Faraday pubblicò una serie di piccoli appunti e piccole memorie di chimica. Il primo lavoro di Faraday sulla fisica risale al 1818. Sulla base delle esperienze dei suoi predecessori e combinando molte delle sue esperienze, nel settembre 1821 Michael aveva pubblicato "La storia dei successi dell'elettromagnetismo". Già a quel tempo, ha inventato un concetto completamente corretto dell'essenza del fenomeno della deflessione di un ago magnetico sotto l'azione di una corrente. Raggiunto questo successo, Faraday lasciò per dieci anni gli studi nel campo dell'elettricità, dedicandosi allo studio di una serie di materie di diverso genere. Nel 1823 Faraday fece una delle scoperte più importanti nel campo della fisica: per primo ottenne la liquefazione di un gas e allo stesso tempo stabilì un metodo semplice ma valido per convertire i gas in un liquido. Nel 1824 Faraday fece diverse scoperte nel campo della fisica. Tra l'altro stabilì il fatto che la luce incide sul colore del vetro, modificandolo. L'anno successivo, Faraday passa nuovamente dalla fisica alla chimica e il risultato del suo lavoro in questo settore è la scoperta della benzina e dell'acido naftalenico solforico. Nel 1831, Faraday pubblicò un trattato Su un tipo speciale di illusione ottica, che servì come base per un bellissimo e curioso proiettile ottico chiamato "cromotropo". Nello stesso anno fu pubblicato un altro trattato dello scienziato "Sui piatti vibranti". Molte di queste opere potrebbero da sole immortalare il nome del loro autore. Ma il più importante dei lavori scientifici di Faraday sono le sue ricerche nel campo dell'elettromagnetismo e dell'induzione elettrica. A rigor di termini, l'importante branca della fisica, che tratta i fenomeni dell'elettromagnetismo e dell'elettricità induttiva, e che attualmente è di così grande importanza per la tecnologia, è stata creata da Faraday dal nulla. Quando Faraday si dedicò finalmente alla ricerca nel campo dell'elettricità, fu stabilito che, in condizioni ordinarie, la presenza di un corpo elettrificato è sufficiente perché la sua influenza eccita l'elettricità in qualsiasi altro corpo. Allo stesso tempo si sapeva che il filo attraverso il quale passa la corrente e che è anche un corpo elettrificato non ha alcun effetto su altri fili posti nelle vicinanze. Cosa ha causato questa eccezione? Questa è la domanda che ha interessato Faraday e la cui soluzione lo ha portato alle scoperte più importanti nel campo dell'elettricità a induzione. Come al solito, Faraday iniziò una serie di esperimenti che avrebbero dovuto chiarire l'essenza della questione. Faraday avvolse due fili isolati paralleli tra loro sullo stesso mattarello di legno. Ha collegato le estremità di un filo a una batteria di dieci elementi e le estremità dell'altro a un galvanometro sensibile. Quando la corrente fu fatta passare attraverso il primo filo, Faraday rivolse tutta la sua attenzione al galvanometro, aspettandosi di notare dalle sue oscillazioni la comparsa di una corrente nel secondo filo. Tuttavia, non c'era niente del genere: il galvanometro è rimasto calmo. Faraday decise di aumentare la corrente e introdusse nel circuito 120 celle galvaniche. Il risultato è lo stesso. Faraday ha ripetuto questo esperimento dozzine di volte, tutte con lo stesso successo. Chiunque altro al suo posto avrebbe abbandonato l'esperimento, convinto che la corrente che attraversa il filo non ha effetto sul filo adiacente. Ma Faraday ha sempre cercato di estrarre dai suoi esperimenti e dalle sue osservazioni tutto ciò che potevano dare, e quindi, non avendo ricevuto un effetto diretto sul filo collegato al galvanometro, iniziò a cercare effetti collaterali. Notò subito che il galvanometro, rimanendo perfettamente fermo durante tutto il passaggio della corrente, entra in oscillazione proprio alla chiusura del circuito e alla sua apertura. Si è scoperto che nel momento in cui una corrente passa nel primo filo, e anche quando questa trasmissione si interrompe, si eccita anche una corrente nel secondo filo, che nel primo caso ha verso opposto alla prima corrente ed è la lo stesso nel secondo caso e dura un solo istante. Queste correnti istantanee secondarie, causate dall'influenza di quelle primarie, furono chiamate induttive da Faraday, e questo nome è stato conservato per loro fino ad ora. Essendo istantanee, scomparendo istantaneamente dopo la loro comparsa, le correnti induttive non avrebbero alcun significato pratico se Faraday non avesse trovato il modo, con l'ausilio di un ingegnoso dispositivo (interruttore), di interrompere costantemente e condurre nuovamente la corrente primaria proveniente dalla batteria attraverso il primo filo, per cui nel secondo filo viene continuamente eccitato da correnti sempre più induttive, diventando così costante. Pertanto, è stata trovata una nuova fonte di energia elettrica, oltre a quella precedentemente nota (attrito e processi chimici), l'induzione e un nuovo tipo di questa energia: l'elettricità per induzione. Continuando i suoi esperimenti, Faraday scoprì inoltre che una semplice approssimazione di un filo attorcigliato in una curva chiusa ad un altro, lungo il quale scorre una corrente galvanica, è sufficiente per eccitare una corrente induttiva in direzione opposta alla corrente galvanica in un filo neutro, che la rimozione di un filo neutro eccita nuovamente in esso una corrente induttiva, la corrente è già nella stessa direzione della corrente galvanica che scorre lungo un filo fisso, e che, infine, queste correnti induttive vengono eccitate solo durante l'avvicinamento e l'allontanamento del filo filo al conduttore della corrente galvanica, e senza questo movimento le correnti non vengono eccitate, non importa quanto siano vicini tra loro i fili. Si è così scoperto un nuovo fenomeno, simile al sopra descritto fenomeno dell'induzione durante la chiusura e la cessazione della corrente galvanica. Queste scoperte a loro volta ne diedero origine a nuove. Se è possibile produrre una corrente induttiva chiudendo e arrestando la corrente galvanica, non si otterrebbe lo stesso risultato dalla magnetizzazione e smagnetizzazione del ferro? Il lavoro di Oersted e Ampère aveva già stabilito il rapporto tra magnetismo ed elettricità. Si sapeva che il ferro diventava un magnete quando veniva avvolto intorno ad esso un filo isolato e attraversato da una corrente galvanica, e che le proprietà magnetiche di questo ferro cessavano non appena cessava la corrente. Sulla base di ciò, Faraday ha ideato questo tipo di esperimento: due fili isolati sono stati avvolti attorno a un anello di ferro; inoltre, un filo era avvolto attorno a metà dell'anello e l'altro attorno all'altro. Una corrente proveniente da una batteria galvanica veniva fatta passare attraverso un filo e le estremità dell'altro erano collegate a un galvanometro. E così, quando la corrente si chiudeva o si interrompeva, e quando, di conseguenza, l'anello di ferro veniva magnetizzato o smagnetizzato, l'ago del galvanometro oscillava rapidamente e poi si fermava rapidamente, cioè tutte le stesse correnti induttive istantanee venivano eccitate nel filo neutro - questo tempo: già sotto l'influenza del magnetismo. Così, qui, per la prima volta, il magnetismo è stato convertito in elettricità. Dopo aver ricevuto questi risultati, Faraday ha deciso di diversificare i suoi esperimenti. Invece di un anello di ferro, iniziò a usare una fascia di ferro. Invece di eccitare il magnetismo nel ferro con una corrente galvanica, ha magnetizzato il ferro avvicinandolo a un magnete permanente in acciaio. Il risultato era lo stesso: nel filo avvolto attorno al ferro, veniva sempre eccitata una corrente al momento della magnetizzazione e smagnetizzazione del ferro. Quindi Faraday ha introdotto un magnete d'acciaio nella spirale del filo: l'avvicinamento e la rimozione di quest'ultimo ha causato correnti di induzione nel filo. In una parola, il magnetismo, nel senso di eccitazione di correnti induttive, agiva esattamente allo stesso modo della corrente galvanica. A quel tempo, i fisici erano intensamente occupati da un fenomeno misterioso, scoperto nel 1824 da Arago e, nonostante, non trovarono una spiegazione; che questa spiegazione fosse ricercata intensamente da eminenti scienziati dell'epoca come lo stesso Arago, Ampère, Poisson, Babaj e Herschel. La questione era la seguente. Un ago magnetico, liberamente appeso, si ferma rapidamente se sotto di esso viene portato un cerchio di metallo non magnetico; se poi il cerchio viene messo in moto rotatorio, l'ago magnetico inizia a seguirlo. In uno stato calmo, era impossibile scoprire la minima attrazione o repulsione tra il cerchio e la freccia, mentre lo stesso cerchio, che era in movimento, tirava dietro di sé non solo una freccia leggera, ma anche un magnete pesante. Questo fenomeno davvero miracoloso sembrava agli scienziati di quel tempo un enigma misterioso, qualcosa al di là del naturale. Faraday, sulla base dei suoi dati di cui sopra, ha ipotizzato che un cerchio di metallo non magnetico, sotto l'influenza di un magnete, venga fatto circolare durante la rotazione da correnti induttive che influenzano l'ago magnetico e lo trascinano dietro il magnete. Infatti, introducendo il bordo del cerchio tra i poli di un grande magnete a forma di ferro di cavallo e collegando il centro e il bordo del cerchio con un galvanometro con un filo, Faraday riceveva una corrente elettrica costante durante la rotazione del cerchio. In seguito, Faraday si stabilì su un altro fenomeno che suscitò la curiosità generale in quel momento. Come sapete, se la limatura di ferro viene spruzzata su un magnete, viene raggruppata lungo determinate linee, chiamate curve magnetiche. Faraday, richiamando l'attenzione su questo fenomeno, nel 1831 diede alle curve magnetiche il nome di "linee di forza magnetica", che poi divennero di uso generale. Lo studio di queste "linee" ha portato Faraday a una nuova scoperta, si è scoperto che per l'eccitazione delle correnti induttive non è necessario l'avvicinamento e la rimozione della sorgente dal polo magnetico. Per eccitare le correnti basta attraversare le linee di forza magnetica in modo noto. Ulteriori opere di Faraday nella direzione menzionata acquisirono, dal punto di vista moderno, il carattere di qualcosa di completamente miracoloso. All'inizio del 1832 dimostrò un apparato in cui le correnti induttive venivano eccitate senza l'aiuto di un magnete o di una corrente galvanica. Il dispositivo consisteva in una striscia di ferro posta in una bobina di filo. Questo dispositivo, in condizioni ordinarie, non dava il minimo segno della comparsa di correnti in esso; ma non appena gli fu data una direzione corrispondente alla direzione dell'ago magnetico, si eccitava una corrente nel filo. Quindi Faraday diede la posizione dell'ago magnetico ad una bobina e poi vi introdusse una striscia di ferro: la corrente fu nuovamente eccitata. Il motivo che ha causato la corrente in questi casi è stato il magnetismo terrestre, che ha causato correnti induttive come un normale magnete o corrente galvanica. Per mostrarlo e dimostrarlo più chiaramente, Faraday intraprese un altro esperimento che confermò pienamente le sue idee. Ha ragionato che se un cerchio di metallo non magnetico, ad esempio il rame, ruotando in una posizione in cui interseca le linee di forza magnetica di un magnete vicino, fornisce una corrente induttiva, allora lo stesso cerchio, ruotando in assenza di un magnete, ma in una posizione in cui il cerchio incrocerà le linee del magnetismo terrestre, deve anche dare una corrente induttiva. E infatti, un cerchio di rame, ruotato su un piano orizzontale, dava una corrente induttiva, che produceva una notevole deviazione dell'ago del galvanometro. Numerosi studi nel campo dell'induzione elettrica di Faraday si conclusero con la scoperta, fatta nel 1835, dell '"effetto induttivo della corrente su se stessa". Ha scoperto che quando una corrente galvanica viene chiusa o aperta, nel filo stesso vengono eccitate correnti induttive istantanee, che funge da conduttore per questa corrente. fisico russo Emil Khristoforovich Lenz (1804–1861) diede una regola per determinare la direzione di una corrente indotta. "La corrente di induzione è sempre diretta in modo tale che il campo magnetico che crea impedisca o rallenti il movimento che causa l'induzione", osserva A.A. Korobko-Stefanov nel suo articolo sull'induzione elettromagnetica. "Ad esempio, quando una bobina si avvicina a un magnete , la corrente induttiva risultante ha una direzione tale che il campo magnetico da essa creato sarà opposto al campo magnetico del magnete. Di conseguenza, tra la bobina e il magnete sorgono forze repulsive. La regola di Lenz deriva dalla legge di conservazione e trasformazione dell'energia. Se le correnti induttive accelerassero il movimento che le ha causate, il lavoro sarebbe creato dal nulla. La bobina stessa, dopo una piccola spinta, si precipiterebbe verso il magnete e allo stesso tempo la corrente di induzione rilascerebbe calore al suo interno. In realtà, la corrente di induzione viene creata per il lavoro di avvicinare il magnete e la bobina. Perché c'è una corrente indotta? Una profonda spiegazione del fenomeno dell'induzione elettromagnetica è stata data da un fisico inglese James impiegato Maxwell - il creatore della teoria matematica completa del campo elettromagnetico. Per comprendere meglio l'essenza della questione, considera un esperimento molto semplice. Lascia che la bobina sia costituita da una spira di filo e sia attraversata da un campo magnetico alternato perpendicolare al piano della spira. Nella bobina, ovviamente, c'è una corrente di induzione. Maxwell ha interpretato questo esperimento con eccezionale coraggio e inaspettato. Quando il campo magnetico cambia nello spazio, secondo Maxwell, si verifica un processo per il quale la presenza di una bobina di filo non ha importanza. La cosa principale qui è la comparsa di linee ad anello chiuse del campo elettrico, che coprono il campo magnetico variabile. Sotto l'azione del campo elettrico emergente, gli elettroni iniziano a muoversi e nella bobina si forma una corrente elettrica. Una bobina è solo un dispositivo che consente di rilevare un campo elettrico. L'essenza del fenomeno dell'induzione elettromagnetica è che un campo magnetico alternato genera sempre un campo elettrico con linee di forza chiuse nello spazio circostante. Tale campo è chiamato campo vorticoso. Le ricerche nel campo dell'induzione prodotta dal magnetismo terrestre diedero a Faraday l'opportunità di esprimere già nel 1832 l'idea di un telegrafo, che poi costituì la base di questa invenzione. In generale, la scoperta dell'induzione elettromagnetica non è senza ragione attribuita alle scoperte più straordinarie del XIX secolo: il lavoro di milioni di motori elettrici e generatori di corrente elettrica in tutto il mondo si basa su questo fenomeno ... Autore: Samin D.K.
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