Опыты Фарадея с электричеством и магнетизмом
Найдет ли Фарадей скрытую связь между электричеством и магнетизмом?
Наш современный мир, полный энергии и движения, родился во вторник, 3 сентября 1822 года. В этот день Майкл Фарадей в своей лондонской лаборатории склонился над деревянным столом — он готовил опыт. Больше десяти лет он старался нащупать нить, связывающую электричество и магнетизм, и уже потерял счет своим попыткам.
Он поставил магнит в середину заполненной ртутью чаши. Один конец медной проволоки он закрепил над магнитом так, чтобы второй ее конец погрузился в ртуть, и подключил ее к одному из двух контактов, или полюсов, электрической батареи. Без особой надежды на успех Фарадей подключил другую проволоку ко второму полюсу батареи и коснулся ей чаши с ртутью. Невидимый и бесшумный электрический ток потек по ртути, потом по проволоке, подсоединенной к магниту, и обратно к батарее. Электричество породило вокруг этого проводника поле, которое взаимодействовало с собственным полем магнита, и проволока пришла в движение. Она кружила вокруг магнита, и Фарадей понял, что доказал наконец свою теорию. Он преобразовал электричество в движение и изобрел электрический мотор!
Изобретение Фарадея стало первым из череды научных прорывов, которые изменили мир и дали нам электрическую энергию. Без этого у нас не было бы компьютеров, телефонов, автомобилей, самолетов и освещения. Фарадей мог бы стать сказочно богатым человеком, но деньги его не интересовали — радость ему доставляли лишь научные открытия.
Фарадей преуспел и в других областях. Помимо открытий в физике и химии, он изменил преподавание науки, сделав ее популярной и интересной, особенно для молодежи. В 1825 году он организовал рождественские лекции в Королевском институте, которые с тех пор проводятся ежегодно. Фарадей выступал против загрязнения воздуха и много внимания уделял церкви. Он умер в 1867 году, вероятно, от болезней, вызванных применением опасных химикатов в опытах. Но к этому времени он стал одним из знаменитейших людей в стране.
Достижения и вклад в науку
- Изобрел электрический мотор и динамо-машину, производящую электричество;
- Разработал теорию электро-магнетизма, основанную на идее полей;
- Основал популярные лекционные чтения, которые до сих пор проводятся каждый год.
Важные изобретения Фарадея
В ходе своих исследований Фарадей открыл многое из того, что мы используем по сей день.
15 февраля 1820 года физик Ханс Эрстед обнаружил магнитное действие электричества
Электричество и магнетизм проявляют себя совершенно по-разному, но на самом деле они теснейшим образом связаны между собой. Эта проблема волновала таких ученых как Араго, Ампер и Элиниус, но только Хансу Кристиану Эрстеду удалось получить однозначный ответ.
В основе научных открытий Эрстеда лежит страстное увлечение философией, одним из принципов которой является утверждение о связи всего со всем. Это привело его к поискам взаимосвязей между различными явлениями, в том числе связи магнетизма и электричества.
В 1813 году он написал работу под названием «Исследования идентичности химических и электрических сил», в которой предположил существование связи между магнетизмом и электричеством. Обосновывалось это довольно просто: если электричество способно порождать тепло, свет и звук, почему оно не может вызывать магнитные действия.
Спустя семь лет, Эрстед смог подтвердить свои умозаключения на практике. В 1820 году на своей лекции в Копенгагенском университете, используя только что изобретенную электрическую батарею в качестве источника тока, он продемонстрировал, что под воздействием поднесенного на близкое расстояние проводника магнитная стрелка компаса отклоняется. Это было первое наглядное и неоспоримое подтверждение существования прямой связи между электричеством и магнетизмом.
В результате сам Эрстед получил всемирное призвание, его работа была переведена на английский, немецкий, итальянский и другие языки. А в 1830 году, он стал почетным членом Петербургской академии наук.
Открытие Эрстеда буквально вдохновило целый ряд ученых, таких как Ампер, Био, Савар и других на проведение новых экспериментов с целью определения математических закономерностей выявленной связи и, в конечном итоге, привело к появлению теории электромагнетизма Максвелла.
Ханс Кристиан Эрстед, 7 основных вкладов.
Ханс Кристиан Эрстед (1777 – 1851) был датским ученым, который наиболее известен тем, что установил окончательную связь между электричеством и магнетизмом. Открытие Эрстедом электромагнетизма оказало огромное влияние, приведя к гораздо более поздним работам в этой области и обеспечив основу для многочисленных технологических изобретений. Помимо своего вклада в физику, Эрстед также сделал некоторые новаторские работы в химии. Его наиболее значительные достижения в химии является изолирование элемента алюминия и химического соединения пиперина. Узнайте больше о достижениях Ганса Кристиана Эрстеда благодаря его 7 основным вкладам.
№1. Эрстед первым установил связь между электричеством и магнетизмом.
В 1800 году Алессандро Вольта изобрел Вольтов столб, первую электрическую батарею. В следующем году Эрстед начал исследовать природу электричества и проводить свои первые электрические эксперименты. В 1820 году, во время демонстрации в классе для своих студентов, Эрстед пропустил электрический ток через провод, который вызвал движение в игле магнитного компаса, расположенного рядом. Это ясно установило связь между магнетизмом и электричеством, что позволило Эрстеду первым определить силу электромагнетизма. Его открытие было опубликовано в июле 1820 года в брошюре под названием «Эксперименты по воздействию электрического тока на магнитную иглу». В ходе дальнейших экспериментов Эрстед также обнаружил, что электрический ток создает вокруг него круговой магнитный эффект.
№2. Его открытие электромагнетизма положило путь для многочисленных изобретений.
Открытие Эрстедом электромагнетизма положило начало ряду открытий, которые в конечном счете заложили основу нашего современного мира, основанного на технологиях. Вскоре после открытия Эрстеда французский физик Андре-Мари Ампер разработал единую математическую формулу для представления магнитных сил, существующих между токоведущими проводниками. Затем, более 40 лет спустя, шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл модифицировал это уравнение, чтобы оно также применялось к ситуациям, в которых ток не является постоянным. Электромагнетизм является основой для многочисленных устройств, включая электродвигатель, микрофон, электрический генератор, громкоговоритель и трансформаторы.
Ханс Кристиан Эрстед
№3. Закон Эрстеда лег в основу уравнений, управляющих электромагнетизмом.
Закон Эрстеда, названный в честь Ганса Эрстеда, — это закон электромагнетизма, который гласит, что когда постоянный электрический ток проходит через провод, он создает вокруг него магнитное поле. Закон Эрстеда — один из двух законов, связывающих электричество с магнетизмом, другой-закон индукции Фаррадея. Закон Эрстеда и закон Фаррадея позже стали частью уравнений, управляющих электромагнетизмом. Это четыре уравнения, упомянутые ранее, известные как уравнения Максвелла.
№4. Эрстед был первым, кто выделил химическое соединение пиперин.
Ганс Эрстед имел фармакологическое образование, а также проводил эксперименты в области химии. В 1819 году, за год до открытия электромагнетизма, Эрстед стал первым человеком, обнаружившим химическое соединение пиперин. Пиперин является естественным органическим соединением, которое отвечает за остроту черного перца и длинного перца. Эрстед выделил пиперин из плодов Piper nigrum, исходного растения как черного, так и белого перца.
№5. Эрстед был первым химиком, выделившим алюминий.
Алюминий — один из самых распространенных элементов на земле. Однако он всегда сочетается с другими элементами. Многие химики считали, что алюминий существует, как отдельный элемент, и предпринимали многочисленные попытки его обнаружить. Однако именно Ганс Эрстед стал первым человеком, который выделил алюминий в 1825 году. Он реагировал хлорид алюминия (AlCl3) с амальгамой калия (сплав калия и ртути). Затем он нагревал полученную смесь под пониженным давлением. Это заставило ртуть закипеть, оставив после себя нечистый образец алюминиевого металла. Выделение алюминия рассматривается как наиболее значительный вклад Эрстеда в химию.
№6. Ханс Кристиан Эрстед был первым современным мыслителем, назвавшим мысленный эксперимент.
Мысленный эксперимент — это акт рассуждения до практического результата гипотезы, когда физическое доказательство недоступно или недостижимо. Он включает в себя вопрос “что, если”, а затем рассуждение ответа через ряд логических шагов. Мысленные эксперименты были широко использованы Альбертом Эйнштейном на пути к открытию теории относительности. Ганс Эрстед был первым современным мыслителем, который ясно описал и назвал мысленный эксперимент. Более того, в 1812 году, он использовал латино-немецкий термин Gedankenexperiment; и в 1820 году он использовал немецкий термин Gedankenversuch для описания мысленного эксперимента.
№7. Он основал первый политехникум в Дании.
В 1824 году Эрстед основал Общество по распространению естественных наук, организацию, призванную сделать науку доступной для общественности. Общество по-прежнему остается активным и представило Х. К. Эрстед к медали За научные достижения. В 1829 году Эрстед также основал колледж передовых технологий в Копенгагене, Дания. Это был первый датский политехникум. Сегодня известный как технический университет Дании, он входит в число ведущих инженерных институтов Европы.
Главные награды и почести.
В 1820 году Британское Королевское общество наградило Эрстеда медалью Копли, величайшей наградой в науке того времени, за открытие электромагнетизма. В 1930 году, в память о вкладе Эрстеда в электромагнетизм и его влиянии на физику как дисциплину, единица вспомогательного магнитного поля H в системе единиц CGS была названа Эрстед (символ Oe). Он равен 1 Динаре на Максвелла.
Кто изобрел электричество?
Бенджамин Франклин получает все заслуги в открытии электричества, но все, что он сделал, это установил связь между молнией и электричеством. Шарль Франсуа Дюфе, Луиджи Гальвани, Алессандро Вольта, Майкл Фарадей, Томас Алва Эдисон и Никола Тесла внесли значительный вклад в развитие и коммерциализацию электричества.
Электричество повсюду вокруг нас: светильники, вентиляторы, компьютеры, мобильные телефоны и бесчисленное множество других устройств. В современном мире от этого практически невозможно убежать. Даже пытаясь убежать от электричества, вы найдете его по всей природе, от синапсов внутри человеческого тела до молнии во время грозы.
Но знаете ли вы, кто открыл электричество? Вообще-то, это довольно сложный вопрос. Большинство людей отдают должное только одному человеку (Бенджамину Франклину), что вроде как несправедливо.
Многие другие ученые использовали эксперименты Франклина для изучения электричества, и некоторые из них смогли изобрести различные формы электричества. Давайте копнем глубже и выясним, кто были эти ученые и каков их вклад.
Электричество 2600 лет назад
Один из инструментов, обнаруженных в археологических раскопках близ Багдада, напоминает электрохимическую ячейку
Примерно в 600 году до нашей эры греческий математик Фалес Милетский обнаружил, что трение меха о Янтарь вызывает притяжение между ними. Более поздние наблюдения доказали, что это притяжение было вызвано дисбалансом электрических зарядов, который называется статическим электричеством.
Археологи также обнаружили доказательства того, что древние люди могли экспериментировать с электричеством. В 1936 году они нашли глиняный горшок с железным прутом и медной пластиной. Он похож на электрохимический (гальванический) элемент.
Неясно, для чего использовался этот инструмент, но он пролил некоторый свет на тот факт, что древние люди, возможно, изучали ранние формы батарей задолго до того, как мы это знаем.
Томас Браун использовал слово «электричество» в 1646 году
В 1600 году английский физик Уильям Гилберт написал книгу под названием De Magnete, в которой он объяснил, как статическое электричество генерируется трением янтаря. Однако он не понимал, что электрический заряд универсален для всех материалов.
Поскольку Гилберт изучал статическое электричество с помощью янтаря, а янтарь по-гречески называют «Электрум», он решил назвать его действие электрической силой. Он также изобрел электроскоп (известный как «versorium» Гилберта) для обнаружения присутствия электрического заряда на теле.
Работа Гилберта дала начало английскому слову «electricity», которое впервые появилось во втором выпуске научного журнала Pseudodoxia Epidemica , написанного сэром Томасом Брауном в 1946 году.
Шарль Франсуа Дюфе открыл типы электрических зарядов
Дальнейшие исследования проводились многими учеными. Отто фон Герике, например, изобрел примитивную форму фрикционной электрической машины в 1663 году. Стивен Грей различал проводимость и изоляцию и открыл явление, называемое электростатической индукцией, в 1729 году.
Один из основных вкладов начала 17 века сделал французский химик Шарль Франсуа Дюфе. Он открыл два типа электричества: стекловидное и смолистое (которое в настоящее время известно как положительный и отрицательный заряд соответственно).
Он также обнаружил, что объекты с одинаковым зарядом притягиваются друг к другу, а объекты с противоположным зарядом отталкиваются. Он также прояснил некоторые популярные заблуждения того времени, например, что электрические свойства объекта зависят от его цвета.
Бенджамин Франклин доказал, что молния имеет электрическую природу
В середине XVIII века Бенджамин Франклин широко изучал и проводил многочисленные эксперименты, чтобы понять электричество. В 1748 году он построил электрическую батарею, поместив несколько стеклянных листов, зажатых между свинцовыми пластинами. Он также открыл принцип сохранения заряда.
В июне 1752 года Франклин провел знаменитый эксперимент, чтобы доказать, что молния — это электричество. Он прикрепил металлический ключ к нижней части смоченной веревки воздушного змея и запустил змея во время грозы. Он был осторожен, стоя на изоляторе, чтобы избежать удара током.
Как он и ожидал, змей собрал немного электрического заряда из грозовых облаков, который затем потек по веревке, сотрясая его. Этот эксперимент доказал, что молния действительно была электрической по своей природе.
Луиджи Гальвани открыл биоэлектромагнетизм в 1780-х годах
Итальянский физик и биолог был пионером биоэлектромагнетизма. В 1780 году он провел несколько экспериментов на лягушках и обнаружил, что электричество является средой, через которую нейроны передают сигналы мышцам.
Алессандро Вольта изобрел электрическую батарею в 1800 году
Другой итальянский физик по имени Алессандро Вольта обнаружил, что некоторые химические реакции могут производить постоянный электрический ток. Он построил электрическую батарею, для производства непрерывного потока электрического заряда. Она была сделана из чередующихся слоев меди и цинка.
Вольта также различал электрический потенциал (V) и заряд (Q), описывая, что они пропорциональны для данного объекта. Это то, что мы называем законом емкости Вольта. За эту работу единица измерения электрического потенциала SI (вольт) была названа в его честь.
Исследования, проведенные Вольтом, привлекли большое внимание и побудили других ученых провести аналогичные исследования, что в конечном итоге привело к развитию нового раздела физической химии, называемого электрохимией.
Немецкий физик Георг Симон Ом дополнительно изучил электрохимическую ячейку Вольта и обнаружил, что электрический ток прямо пропорционален напряжению (разности потенциалов), приложенному к проводнику. Эта связь называется законом Ома.
Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что электричество создает магнитные поля
Ханс Кристиан Эрстед
В начале 19 века датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил прямую связь между электричеством и магнетизмом. В 1820 году он опубликовал свои открытия, описывая, как стрелка компаса может отклоняться под действием электрического тока.
Работы Эрстеда вдохновили французского физика Андре-Мари Ампера на разработку физико-математической теории, которая могла бы лучше объяснить связь между электричеством и магнетизмом. Он сформировал математическую формулу для представления магнитных сил между объектами, несущими ток. Для этой работы в его честь была названа единица измерения электрического тока (ампер).
В 1820-х годах Ампер изобрел многочисленные приборы, в том числе электромагнит (электромагнит, создающий управляемое магнитное поле) и электрический телеграф (система обмена текстовыми сообщениями «точка-точка»).
Майкл Фарадей сделал электричество практичным для использования в технологиях
Майкл Фарадей, около 70 лет
Майкл Фарадей заложил основы концепции электромагнитного поля. Он обнаружил, что на световые лучи может влиять магнетизм. Он изобрел электромагнитные вращательные устройства, которые легли в основу технологии электродвигателей.
В 1831 году Фарадей разработал электрическую динамомашину-машину, которая могла непрерывно преобразовывать вращательную механическую энергию в электрическую, что сделало возможным производство электричества.
В 1832 году Фарадей провел серию экспериментов по исследованию поведения электричества. Он пришел к выводу, что категоризация различных «типов» электричества была иллюзорной. Вместо этого он предложил, что существует только один «тип» электричества, и изменение таких параметров, как ток и напряжение (количество и интенсивность), приведет к созданию различных групп явлений.
Джеймс Клерк Максвелл сформулировал теорию электромагнитного излучения
В 1873 году шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл начал разрабатывать уравнения, которые могли бы точно описать электромагнитное поле. Он предположил, что электрические и магнитные поля движутся как волны со скоростью света.
Генрих Рудольф Герц окончательно доказал эту теорию, и Гульельмо Маркони использовал эти волны для разработки радио.
Томас Эдисон коммерциализировал электричество
В 1879 году Томас Альва Эдисон изобрел практичную лампочку, которая прослужит долго, прежде чем перегореть. Его следующей задачей была разработка электрической системы, которая могла бы обеспечить людей реальным источником энергии для питания этих ламп.
В 1882 году он построил первую электростанцию в Лондоне, чтобы вырабатывать электроэнергию и переносить ее в дома людей. Несколько месяцев спустя он создал еще одну электростанцию в Нью-Йорке для обеспечения электрическим освещением нижней части острова Манхэттен. Около 85 потребителей получили достаточно энергии, чтобы зажечь 5000 ламп.
На заводе использовались возвратно-поступательные паровые двигатели для включения генераторов постоянного тока. Но так как это было распределение постоянного тока, зона обслуживания была ограничена падением напряжения в фидерах.
Никола Тесла изобрел переменный ток
Поворотный момент в электрической эре наступил через несколько лет, когда Никола Тесла приехал в Нью-Йорк, чтобы работать на Эдисона. Он покинул Edison Machine Works через шесть месяцев из-за невыплаченных бонусов, которые, по его мнению, он заработал.
Вскоре после ухода из компании Тесла обнаружил новый тип двигателя переменного тока и технологию передачи электроэнергии. Он объединился с Джорджем Вестингаузом, чтобы запатентовать систему переменного тока, чтобы обеспечить страну электроэнергией высочайшего качества.
Энергетическая система, изобретенная Теслой, быстро распространилась в США и Европе благодаря своим преимуществам в дальней высоковольтной передаче. Первая гидроэлектростанция Теслы в Ниагарском водопаде могла транспортировать электроэнергию более чем на 200 квадратных миль. В отличие от этого, эдисоновская электростанция постоянного тока могла транспортировать электричество только в пределах одной мили.
Сегодня переменный ток вырабатывается большинством электростанций и используется почти всеми системами распределения электроэнергии. Общее мировое валовое производство электроэнергии в 2019 году составило 27 644 ТВтч.
Генрих Рудольф Герц наблюдал фотоэлектрический эффект в 1887 году
Генрих Рудольф Герц
Пока Тесла был занят изобретением и распределением переменного тока, Генрих Герц проводил серию экспериментов по пониманию электромагнитных волн. В 1887 году он наблюдал фотоэлектрический эффект, явление, при котором электроны испускаются, когда электромагнитное излучение (например, свет) попадает на материал.
В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал «закон фотоэлектрических эффектов», выдвинув гипотезу о том, что световая энергия переносится дискретными квантованными пакетами. Это был решающий шаг в развитии квантовой механики. За эту работу Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике 1921 года.
Фотоэлектрический эффект используется в фотоэлементах, обычно встречающихся в солнечных батареях. Эти фотоэлементы вырабатывают напряжение и подают электрический ток, когда на них светит солнечный свет (или свет с определенной длиной волны).
К концу 2019 года во всем мире было установлено в общей сложности 629 гигаватт солнечной энергии. Это число будет увеличиваться в ближайшие годы, поскольку многие страны и территории переходят на возобновляемые источники энергии, чтобы уменьшить воздействие производства электроэнергии на окружающую среду.
И поэтому было бы неправильно отдать должное только одному человеку за то, что он открыл для себя электричество. В то время как идея электричества существовала тысячи лет, когда пришло время ее научного и коммерческого изучения, несколько великих умов работали над различными подмножествами этой проблемы.