Кабинет физики СПбГУПМ

ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ НАПРАВЛЕНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ТОКОВ, ВОЗБУЖДАЕМЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИНДУКЦИЕЙ*

В своих «Экспериментальных исследованиях по электричеству» Фарадей определяет направление гальванических токов, вызываемых индукцией, следующим образом: 1) гальванический ток вызывает в приближаемой к нему параллельной проволоке ток противоположного направления, а в удаляемой - ток того же направления; 2) магнит вызывает в перемещающемся около него проводнике ток, зависящий от направления, в котором проводник при своем движении пересекает магнитные линии (Pogg. Ann, 1832, № 5; пп. 114 и 116 работы Фарадея), Однако помимо того, что здесь даются два совершенно различных правила для одного и того же явления (так как, по изящной теории Ампера, магнит можно себе представить как систему круговых гальванических токов), это правило является еще и недостаточным, по крайней мере непосредственно, так как оно не охватывает ряда случаев, например того, когда проводник, расположенный перпендикулярно к току, перемещается вдоль него; наконец, второй пункт правила, по моему убеждению, не обладает такой степенью простоты, чтобы его можно было применять к отдельным [конкретным] случаям. Я думаю, что и другие читатели этого, вообще говоря, превосходного произведения согласятся в этом со мной, если вспомнят п. 116, где Фарадей пытается сделать это правило более отчетливым, пользуясь [в качестве проводника] лезвием ножа, перемещаемым по магниту; да Фарадей и сам упоминает о том, как трудно хорошо объяснить направление токов.

Нобили2(Pogg, Ann, 1833, № 3) исходит из первого положения Фарадея, а именно, что при приближении проводника к параллельному ему гальваническому току в проводнике возбуждается ток противоположного направления, а при удалении - того же направления, и пытается только этим правилом объяснить все явления электродинамической индукции и направления возбуждаемых ею токов. Однако эта работа, вообще говоря очень ценная, в ряде пунктов не имеет для меня той степени очевидности, которую мы вправе ожидать в физических статьях; сюда относится пункт, содержащий объяснение [появления] токов, которые возникают в проводнике, перпендикулярном к гальваническому току и перемещающемся вдоль него.

Фарадей, конечно, прав, когда он против всей теории итальянского физика выдвигает то возражение, что при вращении магнита вокруг его собственной оси и при надлежащем наложении на него проводов также возбуждается гальванический ток, хотя здесь никакого приближения или удаления [амперовых] токов магнита относительно последнего нет; напротив, все в нем сохраняет свое относительное положение.

Сейчас же по прочтении статьи Фарадея я пришел к мысли, что все опыты по электродинамической индукции могут быть легко сведены к законам электродинамических движений, так что если эти последние считать известными, то этим самым будут определены и первые; так как это мое представление оправдалось на ряде опытов, то я и изложу его в последующем, проверяя отчасти на уже известных и отчасти на нарочно для этой цели поставленных опытах.

Положение, посредством которого магнито-электрическое явление сводится к электромагнитному, заключается в следующем.

Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что [если бы данный] проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении3.

Поэтому, для того чтобы ясно представить себе направление тока, возбуждаемого в подвижном проводнике посредством электромагнитной индукции, надо сообразить, куда по электромагнитным законам должен быть направлен тот ток, который вызвал бы это движение [проводника]; направление тока, возбужденного в проводнике, будет ему противоположно. Для примера рассмотрим известный фарадеевский опыт с вращением, в котором через вертикально висящий подвижной проводник пропускается гальванический ток сверху вниз; следовательно, этот проводник обвивает северный полюс находящегося как раз под ним магнита в направлении от севера через восток к югу; если мы теперь не будем пропускать ток через подвижной проводник, а сообщим проводнику только что упомянутое движение какими-нибудь механическими способами, то, по нашим законам, в нем будет возбуждаться ток, который, будучи направлен в сторону, противоположную предыдущему случаю, пойдет по подвижному проводнику снизу вверх; он и может быть в нем обнаружен, если соединить его верхний и нижний концы через мультипликатор.

Если мы теперь отчетливо представим себе указанный выше закон, то сможем вывести из него следствие, что каждому явлению электромагнитного движения должен соответствовать случай электродинамической индукции; нужно только, как в вышеприведенном примере, движение, вызываемое электромагнитным путем, осуществлять каким-нибудь другим способом; тогда в подвижном проводнике будет возбуждаться ток, противоположный по направлению тому, который проходил в электромагнитном опыте. В дальнейшем я приведу несколько таких соответствующих друг другу явлений, и притом так, что тотчас после электромагнитного явления будет следовать соответствующее ему магнито-электрическое; первое я буду обозначать большими буквами латинского алфавита, а второе - соответствующими малыми. Таким образом, мы одновременно наилучшим образом осветим правильность нашего закона; еще большую ясность внесут фигуры 1-7, в которых схемы опытов приведены с теми же обозначениями, как в тексте (А, а - G, g); относительно них я замечу следующее: как направление движения, так и направление тока обозначены стрелками, но стрелки в этих двух случаях имеют различную форму: стрелка с кружком на конце относится к движению, а стрелка без кружка на конце - к току; далее, стрелки, вычерченные сплошной линией, обозначают осуществляемое в опыте движение или пропущенный ток, а стрелки пунктирные - того же вида - движение или ток, полученные в результате опыта. Помня эти обозначения, можно без труда разобраться в рисунках. Итак, я перехожу к самим опытам:

A. Прямолинейный проводник, через который проходит гальванический ток, притягивает параллельный ему подвижный проводник, когда через него пропущен ток, имеющий одинаковое направление с током в первом проводнике; но он его отталкивает, если направление тока в подвижном проводнике противоположно направлению в неподвижном (Ампер).

а. Если через один из двух прямолинейных параллельных друг другу проводников проходит гальванический ток и если второй проводник приближается к первому в параллельном направлении, то в подвижном проводнике во время перемещения возбуждается ток, противоположный току в неподвижном проводнике; но если его удалять, то возбуждаемый ток имеет то же направление, что и возбуждающий (Фарадей).

В. Если мы имеем два вертикальных круговых проводника приблизительно одинакового диаметра, плоскости которых перпендикулярны друг к другу и у которых общий им обоим вертикальный диаметр является осью, около которой оба (или только один) могут вращаться, и если через оба пропускается гальванический ток, то они расположатся так, чтобы направление токов в них было одинаковым (Ампер).

b. Если через один из круговых проводников, устроенных и расположенных согласно вышеуказанному, а именно через неподвижный, проходит гальванический ток, и если другой, подвижный, внезапно перевести из перпендикулярного в параллельное положение, то в нем возникает ток, противоположный току в другом проводнике (Ленд). Я произвел этот опыт с двумя круговыми проводниками, каждый из которых состоял из 20 витков оплетенной медной проволоки; один из них был соединен с парой цинк - медь, площадью 2 кв. фута, а другой - с чувствительным мультипликатором Нобили.

С. Если поблизости от прямолинейного бесконечного проводника расположен другой прямолинейный проводник, подвижной и конечной длины, и притом так, что он весь лежит по одну сторону от первого, т. е. его не пресекает, и если через оба проводника проходит гальванический ток, то подвижный проводник будет перемещаться вдоль бесконечно длинного и притом в направлении протекающего через этот последний тока, если его собственный ток идет по направлению от первого [проводника], и в противоположном направлении, если его собственный ток идет по направлению к бесконечно длинному проводнику.

Термины «бесконечно длинный» и «конечной длины» следует понимать в смысле, обычно им приписываемом в учебниках электромагнетизма.

с. Если конечный проводник, расположенный перпендикулярно к бесконечно длинному, по которому идет гальванический ток, перемещается вдоль последнего и в направлении его тока, в нем возникает ток, направленный к бесконечно длинному проводнику; если же, однако, проводник конечной длины перемещается против направления тока в бесконечно длинном проводнике, то возбуждаемый в нем посредством индукции ток направлен от бесконечно длинного тока (Нобили, Pogg. Ann., 1833, № 3, с. 407). Мы рассмотрели главнейшие случаи, когда один гальванический ток действует на другой; в дальнейшем мы подобным же образом сопоставим в основных чертах явления взаимодействия гальванического тока и магнита. Способ представления, впервые предложенный Ампером, позволяет легко разбираться в электромагнитных явлениях этого рода в отношении направления вызываемого движения; этот способ, как известно, заключается в том, что току приписывают голову, ноги, правую и левую руки, или, что еще лучше, представляют себя включенным в ток, который (при положительном направлении) входит через ноги и выходит из головы, причем лицо обращено к северному полюсу магнита; магнит тогда отклоняется током влево, или же ток (а вместе с ним и наблюдатель) перемещается вправо от северного полюса.

Исходя из нашего общего закона, сводящего магнито-электрические явления к электромагнитным, мы легко выведем подобное же правило и для этих последних; оно будет гласить так:

В проводнике, перемещающемся перед северным полюсом магнита, под влиянием электродинамической индукции возникает гальванический ток, причем направление его дается следующим правилом: если мыслить себя включенным в подвижном проводнике таким образом, что лицо обращено к северному полюсу, и Двигаться с проводником вправо, то ток протекает от головы к ногам. Мы увидим, что это правило подтверждается во всех нижеследующих расположениях.

D. Если прямолинейный ток проходит над свободно висящей магнитной стрелкой, ориентируемой силой земного магнетизма в направлении с юга на север и притом параллельно стрелке, то северный полюс магнитной стрелки отклонится к западу; если же ток идет с севера на юг, то стрелка отклоняется на восток. Если проволока расположена под стрелкой, то в первом случае стрелка отклоняется на восток, а во втором на запад (Эрстед). Если над магнитом, ориентированным в его естественном положении с юга на север, расположить параллельно ему проводник, а затем магнит внезапно повернуть вокруг его средней точки северным полюсом на запад, то в проводнике возбуждается ток, идущий с севера на юг, если магнит повернуть на восток, то ток пойдет с юга на север. Если проводник находится под магнитом то ток в первом случае идет с юга на север, а во втором - с севера на юг (Ленд).

Для этого опыта я взял в качестве проводника сторону квадрата, длиною в 1 фут, состоящую из нескольких витков оплетенной шелком медной проволоки; эту сторону я располагал на таком расстоянии от магнита длиною в 5 дюймов, чтобы можно было пренебречь электродинамическим действием его на другие три стороны по сравнению с действием на эту сторону Для того чтобы определить направление возникающего в проводнике тока по вышеприведенному правилу, надо себе представить, что магнит неподвижен и что проводник поворачивается в первом случае на восток, а во втором - на запад, что, очевидно, одно и тоже так можно легко ориентироваться.

Е. Если к вертикальному круговому гальваническому току могущему свободно перемещаться в горизонтальном направлении (например, плавающему на жидкости), приближать магнит, ось которого расположена горизонтально, так, чтобы продолжение оси проходило через центр кругового тока, и если направление этого последнего параллельно направлениям токов в магните (по теории Ампера), то ток будет перемещаться по направлению к магниту до его середины так, что он его в этом положении равновесия охватывает кольцом. При внезапной перемене направления тока или при повороте магнита ток выталкивается от середины магнита за пределы полюса (де-ла-Рив4).

е. Если круговую катушку, соединенную с мультипликатором, внезапно надвинуть на магнит через его полюс до середины, то в нем возникает гальванический ток, направление которого противоположно направлению токов в магните; если же выдвинуть от середины через полюс наружу, возникающий при этом ток будет иметь то же направление, что и токи в магните (Фарадей). Сюда же относится известный опыт, впервые поставленный Нобили; а именно, если на полюс подковообразного магнита накладывается цилиндрический якорь из мягкого железа, обмотанный катушкой, в катушке возбуждается ток, направленный противоположно токам, которые (по Амперу) магнит возбуждает в якоре; при удалении якоря возбуждается ток, параллельный токам в якоре.

В самом деле, окружающие молекулы железа токи расположены в железе во всех направлениях; при положении якоря магнит ориентирует в определенном положении сначала те из них, которые расположены ближе к магнитному полюсу; эта ориентировка распространяется, правда, в течение бесконечно малого времени от обоих концов якоря к его середине; таким образом, дело обстоит так, как если бы в катушку, окружающую якорь, были внезапно вдвинуты два полюса - с одной стороны северный, а с другой - южный, которые затем в середине вместе образуют один магнит. Оба полюса должны вызывать в катушке одинаково направленные токи, ибо противоположны не только полюсы, но и направления их приближения. При удалении ориентировка токов пропадает прежде всего в середине, где она была слабее всего, и дело обстоит так, как будто оба полюса выдвигаются из катушки в противоположных направлениях. В электромагнетизме этому опыту соответствуют два одновременных опыта, подобных опыту де-ла-Рива, т. е. подвижной круговой ток должен надвигаться или выдвигаться с каждой стороной магнита.

F. Если столь известное в электромагнитных опытах колесо Барлоу5 расположить в плоскости меридиана, пропустить через него ток от окружности к центру и так установить у его нижнего конца подковообразный магнит, чтобы северный полюс был расположен к западу от колеса, а южный - к востоку, то колесо будет вращаться вокруг своей оси в направлении стрелки часов, циферблат которых обращен на запад; если же ток идет от центра к периферии, то движение происходит в противоположном направлении. Если магнит повернуть так, чтобы его северный полюс был расположен на восток, то и направления вращения в обоих случаях также меняются на обратные (Барлоу).

f. Если насадить медный диск на ось, вокруг которой он мог бы вращаться, и поднести к диску подковообразный магнит так, чтобы его северный полюс приходился над диском, а южный над ним, и поворачивать затем диск по направлению стрелки часов, циферблат которых обращен кверху, то в диске возникает ток, идущий от центра к окружности; если вращение происходит против направления стрелки часов, обращенных кверху, то ток идет от окружности к центру. При перемене полюсов меняются также направления токов во вращающемся токе (Фарадей).

Соответствие этих двух опытов станет совершенно очевидным, если представить себе, что колесо Барлоу расположено горизонтально своей западной частью кверху, что и показано на относящейся сюда фиг. 7.

G. Если через тело магнита, могущего вращаться вокруг своей оси, пропустить гальванический ток от расположенного наверху северного полюса к его середине, то магнит повернется по стрелке часов, циферблат которых обращен кверху. Если пропустить ток от середины магнита наверх к его северному полюсу, то направление вращения противоположно предыдущему. Если повернуть кверху южный полюс, то, когда ток приходит от южного полюса к середине, вращение противоположно вращению часовой стрелки, а при направлении тока от середины к южному полюсу вращение совпадает с вращением стрелки, причем циферблат все время обращен кверху6 (Ампер).

Если у магнита, который может вращаться вокруг своей оси и северный полюс которого обращен кверху, соединить в этом его положении его верхний, северный полюс и середину с мультипликатором и затем сообщить ему вращение вокруг его оси, направление которого совпадает с направлением движения стрелки часов, циферблат которых обращен кверху, то мультипликатор покажет гальванический ток, возбужденный путем электромагнитной индукции в магните и идущий от середины к северному полюсу; если вращение происходит против часовой стрелки, то возбужденный ток идет от полюса к середине. Если южный полюс обращен кверху и в то же время соединен с серединой через мультипликатор, то в первом случае вращения ток идет от полюса к середине, а во втором - от середины к полюсу (Фарадей).

Я надеюсь, что на основании вышеизложенного можно считать достаточно доказанным совпадение вышеуказанного закона в его следствиях с опытом7.

*Э. X. Ленц. Избр. тр. М, 1950, с. 147-157.
2Нобили Леопольда (1748-1835) -итальянский физик, работавший в области электромагнетизма. Мультипликатор, изобретенный Нобили, оставался самым чувствительным измерительным прибором в течение нескольких десятилетий.
3Это и есть знаменитый закон Ленца.
4Де-ля-Рив Шарль (1770-1834)-швейцарский физик, современник Г. Дэви, М. Фарадея, Г. X Эрстеда, популяризировавший их открытия
5Барлоу Питер (1776-1862) - английский физик, в 1823 г. описал свою модель электрического мотора (так называемое колесо Барлоу), долгое время служившую наглядным пособием при изучении в средней школе действия магнитного поля на ток.
6 Чтобы произвести этот опыт, я пользовался приспособлением более простым, чем обычное, поэтому я его приведу здесь (фиг. 7). Стеклянная трубка abed длиною 3 дюйма и шириною 1 дюйм закрыта на своем нижнем конце bd пробкой, сквозь которую проходит железная проволока fg (фиг. 7, G). Цилиндрический магнит, которым я пользуюсь, имеет в длину 2 -^ дюйма, а толщину -= дюйма; его концы обточены в виде полушарий. В трубку наливают ртуть; магнит вставляют до соприкосновения с острием железной проволоки; тогда этот конец удерживается там притяжением, а магнит плавает в ртути вертикально другим концом кверху; и так как он соприкасается с железной проволокой только в одной точке, а именно, в силу того, что его конец имеет полукруглую форму, в вершине свода, а следовательно, в оси магнита, он имеет наибольшую подвижность. На верхнем краю т магнита тесно надета небольшая бумажная гильза, вплотную его охватывающая и слегка выступающая сверху так, что она образует чашечку, содержащую каплю ртути. Прибор устанавливается на доску, в которой имеется желобок со ртутью; в него погружен нижний конец g железной проволоки, соединяют этот ртутный желобок с одним из металлов гальванической цепи, тогда как от другого металла проводник идет к капле ртути т; тогда немедленно же начинается вращение магнита вокруг его оси.
7Одновременно доказывается, что г-н Ритчи8 установил этот же закон как раз в обратном смысле (Pogg. Ann., Bd XXXI, с. 206), если только я верно понял смысл его не вполне отчетливого сообщения
8Ритчи Уильям (ум. в 1837 г.) -английский физик, занимавшийся опытами по электромагнетизму.

SpyLOG TopList Каталог "ПИНГВИН" - чуткий и душевный каталог! be number one