Исследование работ Фарадея по электричеству
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
» математически.
Рис. 13. Электромагнитное вращение. Рисунок Фарадея
Установленный Фарадеем факт, что электродвижущая сила индукции возникает при изменении магнитного потока (замыкании, размыкании, изменении тока в индуцирующих проводниках, приближении и удалении магнита и т. д.), Максвелл выразил равенством:
Здесь ? электродвижущая сила индукции, Ф магнитный поток, охватываемый проводником, в котором индуцируется ток. Фарадей говорит о том, что способность индуцировать токи "проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей". Это, как показал Максвелл, означает, что переменное магнитное поле окружено вихревым электрическим полем. В векторной форме закон, открытый Фарадеем, выражается уравнением:
Знак минус, поставленный в равенствах (1) и (1), соответствует правилу, установленному петербургским академиком Э. X. Ленцем.
В 1846 г. франц Нейман (1798-1895) нашел выражение закона индукции в следующем виде:
V=-?A/dt
где знак минус показывает, что на создание индукционного тока надо затратить энергию.
Фарадей продолжал изучение электромагнитной индукции во второй серии своих "Экспериментальных исследований" (январь 1832 г.).
В третьей серии (январь 1833 г.) Фарадей кладет конец спору о различных видах электричества: обыкновенном, гальваническом, животном, индукционном.
Рядом опытов он показывает, что все виды электричества тождественны между собой, различаясь только знаком. Исследуя действия, производимые обыкновенным, гальваническим, магнитным, термическим и животным электричеством, Фарадей приходит к фундаментальному заключению: "Отдельные виды электричества тождественны по своей природе, каков бы ни был их источник".
В июне 1833 г. появилась пятая серия "Экспериментальных исследований", посвященная явлениям электролиза.
В этой серии, а также в последующих - шестой, седьмой и восьмой - сериях Фарадей занимается изучением химических действий тока.
Рис. 14. Опыт по электромагнитной индукции. Рисунок Фарадея
Химические действия тока были открыты сразу после изобретения вольтова столба. Дэви открыл электролитическим разложением щелочные металлы. Иоганн Риттер обнаружил поляризацию гальванического элемента. Пропуская ток через подкисленную воду, он установил, что электроды, опущенные в электролит и отключенные от источника, снова дают после их соединения проводником электрохимическое разложение, но в обратном направлении. Так был открыт аккумулятор.
Рис. 15. Униполярная машина. Рисунок Фарадея
Прибалтийский ученый Кристиан Гротгус (17851822) впервые пытался представить механизм электролиза посредством цепочек полярно заряженных молекул.
В пятой серии Фарадей формулирует точный закон электролиза: "Что бы собой ни представляло разлагаемое вещество: воду, растворы солей, кислоты, расплавленные тела и т. д., - для одного и того же количества электричества сумма электрохимических действий есть также величина постоянная, т. е. она всегда эквивалентна стандартному химическому действию, основанному на обычном химическом сродстве"
В седьмой серии Фарадей формулирует этот закон более сжато:
"Химическое действие электрического тока прямо пропорционально абсолютному количеству проходящего электричества".
Фарадей вводит новую терминологию, ныне общеупотребительную. Электроды, подводящие ток к разлагаемому раствору, он называет анодом и катодом. Разложимые вещества он называет электролитами, вещества, на которые разлагаются электролиты, - ионами, а именно анионами и катионами, смотря по тому, где отлагается вещество - у анода или катода.
"Числа, соответствующие весовым количествам, в которых они выделяются, я называю электрохимическими эквивалентами".
Фарадей устанавливает важный факт, что для выделения любого вещества в количестве, равном его электрохимическому эквиваленту, требуется одно и то же количество электричества. Эта величина играет важную роль в современной физике, являясь одной из основных физических констант, и называется "число фарадея". Фарадей связывает этот факт с основными представлениями химии. Он пишет:
"Согласно этой теории эквивалентные веса тел представляют собой такие количества их, которые содержат равные количества электричества... Иначе если принять атомную теорию и соответствующие ей выражения, то атомы тел, эквивалентные друг другу в отношении их обычного химического действия, содержат равные количества электричества, естественно связанного с ними".
Таким образом, Фарадей приходит к представлению о некотором элементарном заряде, связанном с атомами вещества. Он указывает, что "атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами или связаны с ними и им они обязаны своими наиболее замечательными качествами, и в том числе своим химическим сродством друг к другу".
Все это позволяет высказать утверждение, что Фарадей является основателем электронной теории вещества, впервые высказавшим мысль о дискретности электричества, об элементарном электрическом заряде. Тринадцатый раздел седьмой серии, в котором содержатся эти глубокие мысли, называется "Об абсолютном количестве электричества, связанном с частицами или атомами материи". Это название говорит само за себя.
В девятой серии, озаглавленной "Об индуктивном влиянии электрического тока на самого с