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DESCOBERTAS CIENTÍFICAS MAIS IMPORTANTES
Indução eletromagnética. História e essência da descoberta científica
Diretório / As descobertas científicas mais importantes Depois das descobertas Oersted и Ampere ficou claro que a eletricidade tem uma força magnética. Agora era necessário confirmar a influência dos fenômenos magnéticos sobre os elétricos. Este problema foi brilhantemente resolvido por Faraday. Michael Faraday (1791-1867) nasceu em Londres, em uma de suas regiões mais pobres. Seu pai era ferreiro e sua mãe filha de um arrendatário. Quando Faraday atingiu a idade escolar, ele foi enviado para a escola primária. O curso que Faraday fez aqui foi muito restrito e limitou-se apenas a aprender a ler, escrever e começar a contar. A poucos passos da casa onde morava a família Faraday, havia uma livraria, que também era um estabelecimento de encadernação. Foi aí que Faraday chegou, tendo concluído o ensino fundamental, quando surgiu a questão de escolher uma profissão para ele. Michael naquela época tinha apenas 13 anos. Já em sua juventude, quando Faraday apenas começou sua auto-educação, ele se esforçou para confiar apenas em fatos e verificar os relatos de outros com suas próprias experiências. Essas aspirações o dominaram por toda a vida como as principais características de sua atividade científica. Faraday começou a fazer experimentos físicos e químicos ainda menino no primeiro contato com física e química. Certa vez, Michael assistiu a uma das palestras de Humphry Davy, o grande físico inglês. Faraday anotou detalhadamente a palestra, encadernou-a e enviou-a a Davy. Ele ficou tão impressionado que ofereceu a Faraday para trabalhar com ele como secretário. Logo Davy fez uma viagem à Europa e levou Faraday com ele. Durante dois anos visitaram as maiores universidades europeias. Retornando a Londres em 1815, Faraday começou a trabalhar como assistente em um dos laboratórios da Royal Institution em Londres. Na época era um dos melhores laboratórios de física do mundo.De 1816 a 1818 Faraday publicou uma série de pequenas notas e pequenas memórias sobre química. O primeiro trabalho de Faraday em física remonta a 1818. Com base nas experiências de seus antecessores e combinando várias de suas próprias experiências, em setembro de 1821, Michael havia impresso a "História de Sucesso do Eletromagnetismo". Já naquela época, ele criou um conceito completamente correto da essência do fenômeno da deflexão de uma agulha magnética sob a ação de uma corrente. Tendo alcançado esse sucesso, Faraday abandonou seus estudos na área de eletricidade por dez anos, dedicando-se ao estudo de vários assuntos de natureza diferente. Em 1823, Faraday fez uma das descobertas mais importantes no campo da física - ele foi o primeiro a liquefazer gases e, ao mesmo tempo, estabeleceu um método simples, mas eficaz, para converter gases em líquidos. Em 1824, Faraday fez várias descobertas no campo da física. Entre outras coisas, ele estabeleceu o fato de que a luz afeta a cor do vidro, alterando-a. No ano seguinte, Faraday volta novamente da física para a química, e o resultado de seu trabalho nessa área é a descoberta da gasolina e do ácido sulfúrico naftaleno. Em 1831, Faraday publicou um tratado On a Special Kind of Optical Illusion, que serviu de base para um belo e curioso projétil óptico chamado "cromótropo". No mesmo ano, outro tratado do cientista "Sobre placas vibratórias" foi publicado. Muitas dessas obras poderiam por si mesmas imortalizar o nome de seu autor. Mas o mais importante dos trabalhos científicos de Faraday são suas pesquisas no campo do eletromagnetismo e da indução elétrica. A rigor, um importante ramo da física, que trata dos fenômenos do eletromagnetismo e da eletricidade indutiva, e que atualmente é de enorme importância para a tecnologia, foi criado por Faraday do nada. Quando Faraday finalmente se dedicou à pesquisa no campo da eletricidade, foi estabelecido que, em condições normais, a presença de um corpo eletrificado é suficiente para que sua influência excite eletricidade em qualquer outro corpo. Ao mesmo tempo, sabia-se que o fio por onde passa a corrente e que também é um corpo eletrificado não tem qualquer efeito sobre outros fios colocados nas proximidades. O que causou essa exceção? Esta é a questão que interessa a Faraday e cuja solução o levou às descobertas mais importantes no campo da eletricidade por indução. Como era seu costume, Faraday iniciou uma série de experimentos destinados a esclarecer a essência do assunto. Faraday enrolou dois fios isolados paralelos um ao outro no mesmo rolo de madeira. Ele conectou as pontas de um fio a uma bateria de dez células e as pontas do outro a um galvanômetro sensível. Quando uma corrente passou pelo primeiro fio, Faraday voltou toda a sua atenção para o galvanômetro, esperando notar por suas vibrações o aparecimento de uma corrente no segundo fio. Porém, nada disso aconteceu: o galvanômetro permaneceu calmo. Faraday decidiu aumentar a intensidade da corrente e introduziu 120 elementos galvânicos no circuito. O resultado foi o mesmo. Faraday repetiu esta experiência dezenas de vezes e ainda com o mesmo sucesso. Qualquer outra pessoa em seu lugar teria deixado os experimentos convencido de que a corrente que passa por um fio não tem efeito sobre o fio vizinho. Mas Faraday sempre tentou extrair de seus experimentos e observações tudo o que eles poderiam dar e, portanto, não recebendo efeito direto no fio conectado ao galvanômetro, começou a procurar efeitos colaterais. Ele imediatamente percebeu que o galvanômetro, permanecendo completamente calmo durante toda a passagem da corrente, começou a oscilar quando o próprio circuito foi fechado e quando foi aberto. Descobriu-se que no momento em que uma corrente passa pelo primeiro fio, e também quando essa transmissão é interrompida, uma corrente também é excitada no segundo fio, que no primeiro caso tem sentido oposto ao da primeira corrente e o mesmo com ele no segundo caso e dura apenas um instante. Essas correntes instantâneas secundárias, causadas pela influência das primárias, foram chamadas de indutivas por Faraday, e esse nome permanece com elas até hoje. Sendo instantâneas, desaparecendo instantaneamente após seu aparecimento, as correntes indutivas não teriam significado prático se Faraday não tivesse encontrado uma maneira, com a ajuda de um dispositivo engenhoso (um comutador), de interromper constantemente e conduzir novamente a corrente primária proveniente da bateria ao longo o primeiro fio, graças ao qual o segundo fio é continuamente excitado por cada vez mais novas correntes indutivas, tornando-se assim constante. Assim, foi encontrada uma nova fonte de energia elétrica, além das anteriormente conhecidas (fricção e processos químicos), - a indução, e um novo tipo dessa energia - a eletricidade indutiva. Continuando seus experimentos, Faraday descobriu ainda que uma simples aproximação de um fio torcido em uma curva fechada para outro, ao longo do qual flui uma corrente galvânica, é suficiente para excitar uma corrente indutiva na direção oposta à corrente galvânica em um fio neutro, que a remoção de um fio neutro excita novamente uma corrente indutiva nele. a corrente já está na mesma direção da corrente galvânica que flui ao longo do fio fixo e que, finalmente, essas correntes indutivas são excitadas apenas durante a aproximação e remoção do fio fio ao condutor da corrente galvânica e, sem esse movimento, as correntes não são excitadas, por mais próximos que os fios estejam uns dos outros. Assim, um novo fenômeno foi descoberto, semelhante ao fenômeno de indução descrito acima durante o fechamento e a terminação da corrente galvânica. Essas descobertas, por sua vez, deram origem a outras novas. Se for possível causar uma corrente indutiva curto-circuitando e interrompendo a corrente galvânica, então o mesmo resultado não seria obtido magnetizando e desmagnetizando o ferro? O trabalho de Oersted e Ampere já havia estabelecido a relação entre magnetismo e eletricidade. Sabia-se que o ferro se torna um ímã quando um fio isolado é enrolado em torno dele e uma corrente galvânica passa por ele, e que as propriedades magnéticas desse ferro cessam assim que a corrente cessa. Com base nisso, Faraday elaborou este tipo de experimento: dois fios isolados foram enrolados em um anel de ferro; com um fio enrolado em uma metade do anel e o outro em volta do outro. A corrente de uma bateria galvânica passava por um fio e as extremidades do outro eram conectadas a um galvanômetro. E assim, quando a corrente fechava ou parava e quando, consequentemente, o anel de ferro era magnetizado ou desmagnetizado, a agulha do galvanômetro oscilava rapidamente e depois parava rapidamente, ou seja, as mesmas correntes indutivas instantâneas eram excitadas no fio neutro - desta vez: já sob a influência do magnetismo. Assim, aqui pela primeira vez o magnetismo foi convertido em eletricidade. Tendo recebido esses resultados, Faraday decidiu diversificar seus experimentos. Em vez de um anel de ferro, ele começou a usar uma tira de ferro. Em vez de excitar o magnetismo do ferro por meio de corrente galvânica, ele magnetizou o ferro tocando-o em um ímã permanente de aço. O resultado foi o mesmo: no fio que enrolava o ferro, sempre era excitada uma corrente no momento da magnetização e desmagnetização do ferro. Então Faraday introduziu um ímã de aço na espiral do fio - a aproximação e remoção deste último causaram correntes induzidas no fio. Em uma palavra, o magnetismo, no sentido de correntes de indução excitantes, agia exatamente da mesma maneira que a corrente galvânica. Naquela época, os físicos estavam intensamente ocupados com um fenômeno misterioso, descoberto em 1824 por Arago e não encontrou uma explicação, apesar disso; que essa explicação foi intensamente procurada por cientistas eminentes da época como o próprio Arago, Ampère, Poisson, Babaj e Herschel. O assunto foi o seguinte. Uma agulha magnética, pendurada livremente, pára rapidamente se um círculo de metal não magnético for colocado sob ela; se o círculo é então colocado em movimento rotacional, a agulha magnética começa a segui-lo. Em estado calmo, era impossível descobrir a menor atração ou repulsão entre o círculo e a flecha, enquanto o mesmo círculo, que estava em movimento, puxava atrás de si não apenas uma flecha leve, mas também um ímã pesado. Esse fenômeno verdadeiramente milagroso parecia aos cientistas da época um enigma misterioso, algo além do natural. Faraday, com base em seus dados acima, supôs que um círculo de metal não magnético, sob a influência de um ímã, circula durante a rotação por correntes indutivas que afetam a agulha magnética e a puxam para trás do ímã. De fato, ao introduzir a borda do círculo entre os pólos de um grande ímã em forma de ferradura e conectar o centro e a borda do círculo com um galvanômetro com um fio, Faraday recebeu uma corrente elétrica constante durante a rotação do círculo. Depois disso, Faraday estabeleceu outro fenômeno que estava causando a curiosidade geral. Como você sabe, se as limalhas de ferro forem espalhadas em um ímã, elas serão agrupadas ao longo de certas linhas, chamadas curvas magnéticas. Faraday, chamando a atenção para esse fenômeno, em 1831 deu o nome de "linhas de força magnética" às curvas magnéticas, que então passaram a ser de uso geral. O estudo dessas "linhas" levou Faraday a uma nova descoberta, descobriu-se que para a excitação de correntes indutivas não é necessária a aproximação e remoção da fonte do polo magnético. Para excitar correntes, basta cruzar as linhas de força magnética de maneira conhecida. Outras obras de Faraday na direção mencionada adquiriram, do ponto de vista moderno, o caráter de algo completamente milagroso. No início de 1832, ele demonstrou um aparelho no qual as correntes indutivas eram excitadas sem a ajuda de um ímã ou corrente galvânica. O dispositivo consistia em uma tira de ferro colocada em uma bobina de arame. Este dispositivo, em condições normais, não dava o menor sinal do aparecimento de correntes nele; mas assim que lhe foi dada uma direção correspondente à direção da agulha magnética, uma corrente foi excitada no fio. Então Faraday deu a posição da agulha magnética a uma bobina e depois introduziu uma tira de ferro nela: a corrente foi novamente excitada. A razão que causou a corrente nesses casos foi o magnetismo terrestre, que causou correntes indutivas como um ímã comum ou corrente galvânica. Para mostrar e provar isso com mais clareza, Faraday empreendeu outro experimento que confirmou plenamente suas ideias. Ele raciocinou que se um círculo de metal não magnético, por exemplo, cobre, girando em uma posição em que intercepta as linhas de força magnética de um ímã vizinho, fornece uma corrente indutiva, então o mesmo círculo, girando na ausência de um ímã, mas em uma posição em que o círculo cruzará as linhas do magnetismo terrestre, também deve fornecer uma corrente indutiva. E, de fato, um círculo de cobre, girado em um plano horizontal, deu uma corrente indutiva, que produziu um desvio perceptível da agulha do galvanômetro. Vários estudos no campo da indução elétrica de Faraday terminaram com a descoberta, feita em 1835, do "efeito indutivo da corrente sobre si mesma". Ele descobriu que quando uma corrente galvânica é fechada ou aberta, correntes indutivas instantâneas são excitadas no próprio fio, que serve de condutor para essa corrente. físico russo Emil Khristoforovich Lenz (1804-1861) deu uma regra para determinar a direção de uma corrente induzida. “A corrente de indução é sempre direcionada de tal forma que o campo magnético que ela cria impede ou diminui o movimento que causa a indução”, observa A.A. Korobko-Stefanov em seu artigo sobre indução eletromagnética. “Por exemplo, quando uma bobina se aproxima de um ímã , a corrente indutiva resultante tem tal direção, que o campo magnético criado por ela será oposto ao campo magnético do ímã. Como resultado, surgem forças repulsivas entre a bobina e o ímã. A regra de Lenz segue a lei da conservação e transformação da energia. Se as correntes de indução acelerassem o movimento que as causava, então o trabalho seria criado do nada. A própria bobina, após um pequeno empurrão, correria em direção ao ímã e, ao mesmo tempo, a corrente de indução liberaria calor nele. Na realidade, a corrente de indução é criada devido ao trabalho de aproximar o ímã e a bobina. Por que existe uma corrente induzida? Uma explicação profunda do fenômeno da indução eletromagnética foi dada por um físico inglês James Clerk Maxwell - o criador da teoria matemática completa do campo eletromagnético. Para entender melhor a essência do assunto, consideremos um experimento muito simples. Deixe a bobina consistir em uma volta de fio e ser penetrada por um campo magnético alternado perpendicular ao plano da volta. Uma corrente induzida surge naturalmente na bobina. Maxwell interpretou esse experimento de maneira excepcionalmente ousada e inesperada. Quando um campo magnético muda no espaço, segundo Maxwell, surge um processo para o qual a presença de uma bobina de fio não tem significado. O principal aqui é o surgimento de linhas de campo elétrico anulares fechadas que cobrem um campo magnético variável. Sob a influência do campo elétrico resultante, os elétrons começam a se mover e surge uma corrente elétrica na bobina. Uma bobina é simplesmente um dispositivo que detecta um campo elétrico. A essência do fenômeno da indução eletromagnética é que um campo magnético alternado sempre gera um campo elétrico com linhas de força fechadas no espaço circundante. Esse campo é chamado de campo de vórtice." A pesquisa no campo da indução produzida pelo magnetismo terrestre deu a Faraday a oportunidade de expressar a ideia de um telégrafo já em 1832, que então formou a base desta invenção. Em geral, a descoberta da indução eletromagnética não é sem razão considerada uma das descobertas mais marcantes do século XIX - o trabalho de milhões de motores elétricos e geradores de corrente elétrica em todo o mundo é baseado neste fenômeno... Autor: Samin D. K.
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