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最も重要な科学的発見
電磁誘導。 科学的発見の歴史と本質
発見後 エルステッド и アンペア 電気には磁力があることが明らかになりました。 次に、電気現象に対する磁気現象の影響を確認する必要がありました。 この問題は、ファラデーによって見事に解決されました。 マイケルファラデー (1791-1867) はロンドンの最も貧しい地域の一つで生まれました。 父親は鍛冶屋、母親は小作人の娘でした。 ファラデーは学齢期に達すると小学校に通わせました。 ここでファラデーがとったコースは非常に狭く、読み書き、数え方の始めを教えることだけに限定されていました。 ファラデー家が住んでいた家から少し離れたところに本屋があり、製本所でもありました。 これは、ファラデーが小学校のコースを修了したときに、彼の職業を選ぶことについて疑問が生じたときにたどり着いた場所です。 当時マイケルはわずか13歳でした。 ファラデーが独学を始めたばかりの若い頃、彼は事実だけに頼り、自分の経験で他人の報告を検証しようと努めました。 これらの願望は、彼の科学的活動の主な特徴として、彼の生涯を支配していました。 ファラデーは、物理学と化学を初めて知った少年として、物理的および化学的実験を始めました。 かつてマイケルは、英国の偉大な物理学者であるハンフリー・デービーの講義に出席したことがあります。 ファラデーは講義の詳細なメモを取り、それを製本してデービーに送りました。 彼は非常に感銘を受け、ファラデーに秘書として一緒に働くことを申し出ました。 すぐにデイビーはヨーロッパ旅行に出かけ、ファラデーを連れて行きました。 XNUMX 年間、彼らはヨーロッパ最大の大学を訪問しました。 1815 年にロンドンに戻ったファラデーは、ロンドンの王立研究所の研究所の 1816 つでアシスタントとして働き始めました。 1818 年から 1818 年にかけて、ファラデーは化学に関する多くの小さなノートと小さな回顧録を出版しました。 ファラデーの物理学に関する最初の研究は XNUMX 年にさかのぼります。 前任者の経験に基づいて、彼自身の経験のいくつかを組み合わせて、1821 年 XNUMX 月までに、マイケルは「電磁気学の成功の歴史」を出版しました。 その時すでに、彼は電流の作用下での磁針のたわみの現象の本質について完全に正しい概念を作り上げていました。 この成功を収めたファラデーは、電気の分野での研究を XNUMX 年間やめ、さまざまな種類の主題の研究に専念しました。 1823 年、ファラデーは物理学の分野で最も重要な発見の XNUMX つを行いました。彼は初めて気体の液化を達成し、同時に気体を液体に変換するための単純だが有効な方法を確立しました。 1824 年、ファラデーは物理学の分野でいくつかの発見をしました。 とりわけ、彼は光がガラスの色に影響を与え、それを変えるという事実を確立しました。 翌年、ファラデーは再び物理学から化学に転向し、この分野での彼の研究の結果、ガソリンと硫酸ナフタレン酸が発見されました。 1831年、ファラデーは「特別な種類の目の錯覚に関する論文」を発表しました。これは、「クロモトロープ」と呼ばれる美しく好奇心旺盛な光学発射体の基礎として機能しました。 同じ年に、科学者による「振動板について」という別の論文が発表されました。 これらの作品の多くは、それ自体で作者の名前を不滅にする可能性があります。 しかし、ファラデーの科学的研究の中で最も重要なのは、電磁気学と電気誘導の分野での彼の研究です。 厳密に言えば、電磁気学と誘導電気の現象を扱う物理学の重要な分野であり、現在テクノロジーにとって非常に重要であるものは、ファラデーによって何もないところから作成されました。 ファラデーが最終的に電気の分野の研究に専念するまでに、通常の条件下では、帯電した物体の存在は、その影響が他の物体の電気を励起するのに十分であることが確立されました. 同時に、電流が流れる電線は帯電体でもあり、近くに配置された他の電線に影響を与えないことがわかっていました。 この例外の原因は何ですか? これは、ファラデーが興味を持った問題であり、その解決策により、誘導電気の分野で最も重要な発見に導かれました。 いつものように、ファラデーは問題の本質を解明することを目的とした一連の実験を開始しました。 ファラデーは、120 本の絶縁ワイヤを同じ木製のめん棒に平行に巻き付けました。 彼は一方のワイヤの端を XNUMX 個の素子からなるバッテリーに接続し、もう一方のワイヤの端を高感度の検流計に接続しました。 最初のワイヤに電流が流れると、ファラデーは検流計に全注意を向け、その振動から XNUMX 番目のワイヤに電流が現れることを期待しました。 しかし、そのようなことは何もなく、検流計は平静を保っていました。 ファラデーは電流を増やすことを決定し、回路に XNUMX 個のガルバニ電池を導入しました。 結果は同じです。 ファラデーはこの実験を何十回も繰り返しましたが、すべて同じ成功を収めました。 彼の代わりに他の人がいたら、ワイヤを流れる電流が隣接するワイヤに影響を与えないと確信して実験から離れたでしょう。 しかし、ファラデーは常に自分の実験と観察から得られるすべてのものを抽出しようとしたため、検流計に接続されたワイヤに直接影響を受けなかったので、副作用を探し始めました。 彼は、電流が流れている間は検流計が完全に静止しているのに、回路が閉じるときと開くときに振動を始めることにすぐに気づきました。 最初のワイヤに電流が流れた瞬間、およびこの伝送が停止したときに、XNUMX番目のワイヤにも電流が励起されることがわかりました。最初の場合、最初の電流とは逆方向であり、 XNUMX番目の場合も同様で、持続するのは一瞬だけです。 一次電流の影響によって引き起こされるこれらの二次瞬間電流は、ファラデーによって誘導と呼ばれ、この名前は現在まで保存されています。 誘導電流は瞬間的であり、出現後すぐに消えるため、ファラデーが独創的な装置（スイッチ）の助けを借りて、バッテリーから来る一次電流を絶えず遮断し、再び導通させる方法を発見しなければ、実用的な意味を持たなかったでしょう。これにより、XNUMX 番目のワイヤはより多くの誘導電流によって継続的に励起され、一定になります。 したがって、これまでに知られている（摩擦および化学プロセス）誘導に加えて、新しい電気エネルギー源、およびこのエネルギーの新しいタイプである誘導電気が発見されました。 実験を続けて、ファラデーはさらに、ガルバニック電流が流れる別の閉曲線にツイストされたワイヤの単純な近似は、中性ワイヤのガルバニ電流とは反対の方向に誘導電流を励起するのに十分であることを発見しました。中性線を取り外すと、その中の誘導電流が再び励起されます. 電流はすでに固定線に沿って流れるガルバニック電流と同じ方向にあり、最終的に、これらの誘導電流は、中性線の接近と取り外し中にのみ励起されます.ワイヤーをガルバニック電流の導体に接続し、この動きがなければ、ワイヤーが互いにどれほど接近していても、電流は励起されません。 このように、上述のガルバニック電流の開閉時の誘導現象と同様の新しい現象が発見された。 これらの発見は、次々に新しい発見を生み出しました。 ガルバニック電流を閉じたり止めたりすることで誘導電流を生成できるのであれば、鉄の磁化と減磁からも同じ結果が得られるのではないでしょうか? エルステッドとアンペールの研究により、磁気と電気の関係はすでに確立されていました。 鉄は、絶縁線を巻き付けてガルバニック電流を流すと磁石になり、電流が止まるとすぐに磁性が消えることが知られていました。 これに基づいて、ファラデーはこの種の実験を思いつきました。XNUMX 本の絶縁ワイヤを鉄のリングに巻き付けました。 さらに、XNUMX本のワイヤーがリングの半分に巻き付けられ、もうXNUMX本がもう一方の周りに巻き付けられました。 ガルバニ電池からの電流を一方のワイヤに流し、もう一方の端を検流計に接続しました。 したがって、電流が閉じるか停止すると、その結果として鉄のリングが磁化または消磁すると、検流計の針は急速に振動し、その後すぐに停止します。つまり、すべて同じ瞬間的な誘導電流が中性線に励起されました。時間: すでに磁気の影響下にあります。 したがって、ここで初めて磁気が電気に変換されました。 これらの結果を受けて、ファラデーは実験を多様化することに決めました。 彼は鉄の指輪の代わりに鉄のバンドを使い始めました。 ガルバニック電流で鉄の磁気を励起する代わりに、鉄を永久磁石に接触させることで鉄を磁化させました。 結果は同じでした。鉄に巻き付けられたワイヤには、鉄の磁化と消磁の瞬間に常に電流が励起されました。 次に、ファラデーはワイヤーのスパイラルに鋼鉄磁石を導入しました。スパイラルの接近と除去により、ワイヤー内に誘導電流が発生しました。 一言で言えば、誘導電流の励起という意味では、磁気はガルバニ電流とまったく同じように作用します。 当時、物理学者はアラゴによって 1824 年に発見された XNUMX つの不可思議な現象に夢中になっていて、それにもかかわらず、説明を見つけられませんでした。 この説明は、アラゴ自身、アンペール、ポアソン、ババイ、ハーシェルなどの当時の著名な科学者によって集中的に求められた. 事案は次のとおりであった。 自由にぶら下がっている磁気針は、非磁性金属の円がその下に置かれるとすぐに止まります。 次に円を回転運動にすると、磁針がそれに追従し始めます。 静かな状態では、円と矢の間にわずかな引力や反発を発見することは不可能でしたが、動いている同じ円は軽い矢だけでなく重い磁石も後ろに引っ張っていました. この本当に奇跡的な現象は、当時の科学者にとって、自然を超えた神秘的な謎のように見えました。 ファラデーは、上記のデータに基づいて、磁石の影響下にある非磁性金属の円が、磁気針に影響を与えて磁石の後ろに引き寄せる誘導電流によって回転中に循環すると仮定しました。 実際、大きな馬蹄形の磁石の極の間に円の端を導入し、円の中心と端をワイヤーで検流計に接続することにより、ファラデーは円の回転中に一定の電流を受けました。 これに続いて、ファラデーは当時一般的な好奇心を引き起こしていた別の現象に落ち着きました。 ご存じのように、鉄粉を磁石に振りかけると、磁気曲線と呼ばれる特定の線に沿ってグループ化されます。 この現象に注目したファラデーは、1831年に磁気曲線に「磁力線」という名前を付け、一般的に使用されるようになりました。 これらの「線」の研究により、ファラデーは新しい発見に至りました。誘導電流の励起には、磁極からのソースの接近と除去は必要ないことが判明しました。 電流を励起するには、既知の方法で磁力線を横切るだけで十分です。 上記の方向でのファラデーのさらなる作品は、現代の観点から、完全に奇跡的なものの特徴を獲得しました。 1832 年の初めに、彼は磁石やガルバニック電流の助けを借りずに誘導電流が励起される装置を実演しました。 この装置は、ワイヤーコイルに配置された鉄片で構成されていました。 この装置は、通常の条件下では、その中に電流が現れる兆候はほとんどありませんでした。 しかし、磁針の方向に対応する方向が与えられるとすぐに、ワイヤーに電流が励起されました。 次に、ファラデーは磁針の位置をXNUMXつのコイルに与え、鉄片をそれに導入しました。電流が再び励起されました。 これらの場合に電流を引き起こした理由は地磁気であり、通常の磁石またはガルバニック電流のような誘導電流を引き起こしました。 これをより明確に示して証明するために、ファラデーは彼の考えを完全に確認する別の実験を行いました。 彼は、銅などの非磁性金属の円が、隣接する磁石の磁力線と交差する位置で回転し、誘導電流を与える場合、同じ円が存在しない場合に回転すると推論しました。磁石は、円が地磁気の線と交差する位置にあり、誘導電流も与えなければなりません。 実際、水平面内で回転した銅の円は誘導電流を発生させ、検流計の針に顕著なずれを引き起こしました。 電気誘導ファラデーの分野における多くの研究は、1835 年に行われた「電流自体の誘導効果」の発見で終わりました。 彼は、ガルバニック電流が閉じたり開いたりすると、この電流の導体として機能するワイヤ自体に瞬間的な誘導電流が励起されることを発見しました。 ロシアの物理学者 エミール・クリストフォロビッチ・レンツ (1804–1861) は、誘導電流の方向を決定するための規則を与えました。 A.A. Korobko-Stefanov は、電磁誘導に関する記事の中で、「誘導電流は常に、それが作り出す磁場が誘導を引き起こす動きを妨げたり遅くしたりするような方向に向けられています。たとえば、コイルが磁石に近づくと、 、結果として生じる誘導電流は、それによって作成された磁場が磁石の磁場と反対になるような方向を持っています。その結果、コイルと磁石の間に反発力が生じます。 レンツの法則は、エネルギーの保存と変換の法則に従います。 誘導電流がその原因となった動きを加速させれば、無から仕事が生まれる。 コイル自体は、少し押した後、磁石に向かって突進し、同時に誘導電流によって熱が放出されます。 実際には磁石とコイルを近づける働きで誘導電流が発生します。 なぜ誘導電流が発生するのですか？ 英国の物理学者が電磁誘導現象を深く解説 ジェームズ・クラーク・マクスウェル - 電磁界の完全な数学的理論の作成者。 問題の本質をよりよく理解するために、非常に簡単な実験を考えてみましょう。 コイルが XNUMX 巻きのワイヤで構成され、巻き面に垂直な交流磁場が貫通するとします。 コイルには当然誘導電流が発生します。 マクスウェルは、並外れた勇気と意外性をもってこの実験を解釈しました。 マクスウェルによれば、空間内で磁場が変化すると、ワイヤコイルの存在が重要ではないプロセスが生じるという。 ここで重要なことは、変化する磁場を覆う電場の閉じたリング線の出現です。 発生する電場の作用により、電子が動き始め、コイル内に電流が発生します。 コイルは、電界を検出できる単なるデバイスです。 電磁誘導現象の本質は、交流磁場が常に周囲の空間に閉じた力線を持つ電場を生成することです。 このような場を渦場と呼びます。 地磁気によって生じる誘導の分野での研究により、ファラデーは 1832 年に電報のアイデアを表現する機会を得て、それが本発明の基礎となりました。 一般に、電磁誘導の発見は、XNUMX 世紀の最も優れた発見に起因する理由がないわけではありません。世界中の何百万もの電気モーターと電流発生器の動作は、この現象に基づいています... 著者: サミン D.K.
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