В своих опытных исследованиях по электричеству английский физик-экспериментатор Майкл Фарадей впервые установил фундаментальное положение: индуцированный в проводнике электрический ток количественно прямо пропорционален числу пересеченных данным проводником магнитных линий.
Главные установленные Фарадеем физические закономерности сформировали точку зрения ученого о том, что электродвижущая сила, наводимая в некотором контуре, находящемся в магнитном поле, определяется исключительно скоростью пересечения дынным контуром магнитных линий.
Это значит, что физической первопричиной индукционного тока по Фарадею является непосредственно процесс пересечения магнитных линий проводником. Данное явление — явление электромагнитной индукции, было открыто Фарадеем 29 августа 1831 года.
Электрические двигатели в одном из выставочных залов Технического музея Вены
В 1873 году увидел свет «Трактат об электричестве и магнетизме» - капитальный научный труд британского физика и математика Джеймса Клерка Максвелла, где ученый, основываясь на опытах Фарадея и приняв во внимание принцип непрерывности магнитного потока, Фарадеем же установленный, показал, что в законе электромагнитной индукции на самом деле речь идет об изменяющемся магнитном потоке, охватываемом некоторым замкнутым контуром. Смотрите - Уравнения Максвелла для электромагнитного поля - основные законы электродинамики
Говоря о магнитном потоке, Максвелл определяет его как совокупность магнитных линий, что лишь формально отличается от формулировок Фарадея.
При этом, как отмечал сам Максвелл: «магнитный поток, пронизывающий неизменно замкнутый контур, может претерпевать увеличение или уменьшение только в процессе пересечения контуром составляющих поток магнитных линий при их выхождении из контура или при их вхождении в контур. Иначе быть не может.»
Таким образом, и Фарадей, и Максвелл — оба заявляли, что для наблюдения явления электромагнитной индукции, обязательным условием является пересечение магнитных линий контуром.
Тогда как Максвелл выдвинул на первое место изменение пронизывающего контур магнитного потока, отодвинув, однако, на второй план пересечение магнитных линий контуром, (хотя и признав данное явление само собой разумеющимся) Фарадей сразу поставил процесс пересечения контуром магнитных линий на первое место и указал на него как на главенствующую причину возникновения индукционного тока.
Что касается обмоток трансформатора, то процесс пересечения магнитных линий проводниками обмоток, хотя и недоступен непосредственному контролю, все равно происходит исходя из принципа непрерывности магнитного потока.
Далее мы рассмотрим частные случаи экспериментов, которые позволят нам наглядно убедиться в том, что для проявления электромагнитной индукции, как реального физического явления в контуре, обязательно именно пересечение контуром магнитного поля, тогда как одного только формального изменения магнитного потока, пронизывающего контур, недостаточно.
Вот эксперимент, который в 1901 году провел академик Владимир Федорович Миткевич, на тот момент работавший в Петербургском горном институте.
Он взял кольцевой магнитопровод A, намотал по всей его окружности тороидальную обмотку. По обмотке был пущен постоянный ток. В результате постоянный магнитный поток оказался локализован внутри магнитопровода как в кольцевом соленоиде.
На магнитопровод был надет проводящий челнок B, электрически изолированный от обмотки. Далее был взят баллистический гальванометр G, к клеммам которого подключили медные пружинящие щипцы.
Размыкающиеся концы щипцов (С1 и C2) изначально сомкнуты, но могут раздвигаться, обхватывая челнок, так, что проводящий контакт все время сохраняется через челнок.
Замысел Миткевича заключался в следующем. Когда щипцы только начинали надвигаться на челнок, магнитный поток, пронизывающий цепь гальванометра, был равен нулю (положение I).
Далее щипцы продолжают, не размыкаясь, надеваться на челнок, в конце концов цепь гальванометра оказывается полностью сцеплена с магнитным потоком тороидальной обмотки (положение II).
Фактически, казалось бы, произошло существенное изменение магнитного потока, пронизывающего контур (цепь гальванометра G) от нуля до максимума.
Просто опираясь на формулировку Максвелла о том, что ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур, можно было бы подумать, что гальванометр в ходе эксперимента зафиксирует индукционный ток.
Но в реальности этого не произошло! Ведь пересечения магнитных линий проводником, за время надвигания щипцов на челнок, не произошло, то есть не было главной причины для электромагнитной индукции.
К тому же формулировка Максвелла здесь не применима еще и потому, что контур, в процессе изменения внешнего магнитного потока, разветвляется и постоянно изменяется, то есть не является неизменным.
Похожий по своей сути на эксперимент Миткевича, в 1903 году похожий эксперимент был предложен английским профессором Сильванусом Томпсоном. Только вместо щипцов он использовал разветвленную цепь с рубильниками К1 и К2.
Если рубильник К1 замкнуть, затем замкнуть рубильник К2 и тут же разомкнуть рубильник К1, то, казалось бы, магнитный поток, сцепленный с контуром, увеличится, поскольку намагниченное постоянным током кольцо A оказалось в контуре.
В реальности — снова нет индукционного тока! Ведь имеет место элементарная подмена контура. Получается два разных контура, а не один и тот же. К тому же, в ходе эксперимента снова нет пересечения проводником магнитного поля, как главного и достаточного условия для явления электромагнитной индукции.
Вот еще один эксперимент — так называемый «эксперимент Геринга». Цепь гальванометра G изначально замкнута пружинящими контактами C1 и C2.
Между этими контактами, не прерывая замкнутости цепи гальванометра, вводится намагниченный кусок железа (постоянный магнит), причем вводится он так, чтобы все время оказываться частью цепи, которая перемещалась бы в его же магнитном поле и располагалась бы перпендикулярно магнитным линиям.
И опять никакого индукционного тока в цепи нет, поскольку все время, пока перемещается магнит, - и магнитный поток, и проводящий участок контура, принадлежащий магниту, перемещаются вместе. Пересечение проводником магнитных линий отсутствует.
Наконец, еще один эксперимент. В замкнутом магнитопроводе F при помощи обмотки w с постоянным током создается постоянный магнитный поток.
На магнитопроводе присутствует каркас A для намотки катушки, который можно вращать (рукой). Рядом находится бобина B с проводом L, и все это собрано и соединено через гальванометр G, как показано на рисунке.
Вращая каркас A, мы получаем все больше и больше витков контура (цепи гальванометра), сцепленных с магнитным потоком магнитопровода F, то есть магнитный поток, пронизывающий контур, увеличивается.
По идее, если опираться только на формулировку Максвелла, которая говорит нам о том, что изменяющийся во времени магнитный поток, пронизывающий контур, приведет к ЭДС индукции, гальванометр должен показать индукционный ток во время вращения каркаса A.
На деле — нет! Потому что, как и в предыдущих примерах, отсутствует главное, единственное и достаточное условие возникновения индукционного тока, — пересечение проводником магнитного поля.
При подготовке статьи были использованы материалы книги В. Ф. Миткевича «Магнитный поток и его преобразования» (1946).
Владимир Фёдорович Миткевич (1872—1951) — учёный-электротехник, доктор наук, профессор, академик Академии наук СССР (1929). Заслуженный деятель науки и техники РСФСР (1938), лауреат Сталинской премии первой степени (1943). Его основные труды по теоретическим основам электротехники, передачи электроэнергии.
Владимир Фёдорович Миткевич родился 3 августа 1872 года в Минске в семье священника. В 1891 году он окончил Минскую гимназию и поступил в Петербургский университет на физико-математический факультетет, который окончил в 1895 году.
Затем он работал в Петербургском электротехническом институте и в Петербургском горном институте. С 1902 он преподавал также в Петербургском политехническом институте. В 1906 году назначен профессором.
В 1901 году В. Ф. Миткевич предложил специальные выпрямители для преобразования переменного тока в постоянный.
Его исследования электрической дуги в 1903–1905 годах привели к изоборетению методу окисления азота в воздухе. Вместе с химиком Александром Горбовым в 1906–1912 годах он спроектировал и построил первую опытную электрическую печь для производства азотной кислоты из воздуха в электрической дуге, получившую название печи Горбова-Миткевича.
После Октябрьской революции Миткевич продолжал преподавать в Ленинградском политехническом институте (до 1938 года). Участник разработки плана Государственной электрификации России. Избран членом-корреспондентом в 1927 г. и действительным членом в 1929 г. Академии наук СССР. С 1938 г. работал в учреждениях Академии наук СССР.
В. Ф. Миткевич умер в Москве 1 июня 1951 года и был похоронен на Новодевичьем кладбище.