Вращения Араго - это наблюдаемое магнитное явление, которое включает взаимодействие между намагниченной иглой и движущимся металлическим диском. Эффект был открыт Франсуа Араго в 1824 году. Во время их открытия вращения Араго были неожиданными эффектами, которые было трудно объяснить. В 1831 году Майкл Фарадей представил теорию электромагнитной индукции , которая подробно объяснила, как происходят эффекты.
История
Ранние наблюдения и публикации
Как это часто случается в других областях науки, открытие магнитного вращения было сделано почти одновременно несколькими людьми, для всех из которых был заявлен приоритет. Примерно в 1824 году Гамбей [1] [2], знаменитый производитель инструментов из Парижа, сделал случайное наблюдение, что стрелка компаса, если ее потревожить и заставить колебаться вокруг своей оси, останавливается раньше, если нижняя часть компаса из меди, чем из дерева или другого материала. Барлоу и Марш [3] из Вулиджа в то же время наблюдали влияние на магнитную стрелку вращающейся по соседству железной сферы. Араго [4] [5] [6] астроном, который, как говорят, узнал об этом явлении от Гамби, но который также, как говорят [7] , независимо открыл его в 1822 году, работая с Гумбольдтом над магнитными определениями, был вне всякого сомнения, первым опубликовал отчет о наблюдении, которое он сделал устно перед Парижской Академией наук 22 ноября 1824 года. Он подвесил стрелку компаса внутри колец из разных материалов и отодвинул стрелку примерно на 45 °. , и подсчитали количество колебаний, сделанных иглой до того, как угол поворота уменьшился до 10 °. В деревянном кольце число было 145, в тонком медном - 66, а в толстом медном - только 33.
Магнетизм вращения
Эффект наличия массы меди заключается в гашении колебаний иглы. Каждое колебание занимает то же время, что и раньше, но с уменьшением амплитуды; движение затихало, как будто действовало какое-то невидимое трение. Араго заметил, что это свидетельствовало о наличии силы, которая существовала только тогда, когда было относительное движение между иглой магнита и массой меди. Он дал этому явлению название магнетизма вращения . В 1825 году он опубликовал следующий эксперимент, в котором, исходя из принципа действия и противодействия, он произвел реакцию на неподвижную иглу движением медного диска (рис. 1). Подвешив стрелку компаса в стеклянный сосуд, закрытый снизу листом бумаги или стекла, он держал ее над вращающимся медным диском. Если последний вращается медленно, то стрелка просто отклоняется от магнитного меридиана, стремясь повернуться в направлении вращения диска, как если бы он незаметно увлекался им. При более быстром вращении отклонение больше. Если вращение настолько быстрое, что игла перемещается более чем на 90 °, происходит непрерывное вращение. Однако Араго обнаружил, что сила была не просто касательной. Подвесив иглу вертикально на балке весов над вращающимся диском, он обнаружил, что она отталкивается при вращении диска. На полюс, который висел ближе всего к диску, также действовали радиальные силы, стремящиеся, если полюс был рядом с краем диска, выталкивать его радиально наружу, но если полюс был ближе к центру, стремясь заставить его радиально внутрь.
Пуассон , погруженный в кулоновские представления о магнитном действии на расстоянии, попытался построить теорию магнетизма вращения, утверждая, что все тела приобретают временный магнетизм в присутствии магнита, но что в меди этот временный магнетизм занимает больше времени. умирать. Напрасно Араго указывал на то, что теория не учитывала факты. Так называемый «магнетизм вращения» грозил стать навязчивой идеей.
Исследования явлений другими учеными
На этом этапе это явление исследовали несколько английских экспериментаторов, Бэббидж и Гершель , Кристи , а позднее Стерджен и Фарадей . Бэббидж и Гершель измерили величину тормозящей силы, оказываемой на иглу различными материалами, и обнаружили, что самыми мощными являются серебро и медь (которые являются двумя лучшими проводниками электричества), после них золото и цинк, а также свинец, ртуть и висмут. были очень слабыми по мощности. В 1825 году они объявили об успешном прекращении эксперимента Араго; ибо, вращая магнит под вращающимся медным диском (рис. 2), они заставляли последний быстро вращаться. Они также сделали примечательное наблюдение, что радиальные прорези в медном диске (рис. 3) уменьшают его склонность к вращению вращающимся магнитом. Если считать вращающую силу незащищенного диска равной 100, одна радиальная прорезь уменьшит ее до 88, две радиальные прорези - до 77, четыре - до 48 и восемь - до 24. Ампере в 1826 году показал, что вращающийся медный диск также действует. крутящий момент на соседнем медном проводе, по которому течет ток. Зеебек в Германии, Превост и Колладон в Швейцарии, Нобили и Бачелли в Италии подтвердили наблюдения английских экспериментаторов и добавили другие. Стерджен показал, что демпфирующее действие полюса магнита на движущийся медный диск уменьшалось благодаря наличию второго полюса магнита противоположного типа, расположенного рядом с первым. Пять лет спустя он вернулся к этой теме и пришел к выводу, что эффект был электрическим возмущением, «своего рода реакцией на то, что имеет место в электромагнетизме», когда публикация блестящего исследования Фарадея по магнитоэлектрической индукции, в 1831 году предвосхитил полное объяснение, которое он искал. Фактически Фарадей показал, что относительное движение между магнитом и медным диском неизбежно вызывает токи в металле диска, которые, в свою очередь, воздействуют на полюс магнита с взаимными силами, стремящимися уменьшить относительное движение, то есть стремясь к перетащите неподвижную часть (будь то магнит или диск) в направлении движущейся части, всегда стремясь противодействовать движению движущейся части. Фактически, токи кружатся в движущемся диске, если их не отводят скользящие контакты.
Эксперименты Фарадея и Маттеучи над вихревыми токами
Это действительно сделал Фарадей, когда он вставил свой медный диск с ребрами кромки (рис. 4) между полюсами мощного магнита и закрутил его, в то время как к кромке и оси были прижаты пружинные контакты для снятия токов. Электродвижущая сила, действующая под прямым углом к движению и линиям магнитного поля, создает токи, которые текут по радиусу диска. Если внешний путь не предусмотрен, токи должны найти для себя внутренние обратные пути в металле диска.
На рис. 5 показано, как пара вихрей создается в диске, вращающемся между полюсами магнита. Эти водовороты симметрично расположены [8] по обе стороны от радиуса максимальной электродвижущей силы (рис. 6).
Направление циркуляции вихревых токов всегда так, чтобы противодействовать относительному движению. Вихревой ток в части, отступающей от полюсов, имеет тенденцию притягивать полюса вперед или тянуть эту часть диска назад. Вихревой ток в части, продвигающейся к полюсам, имеет тенденцию отталкивать эти полюса и отражаться ими. Очевидно, что любые прорези, прорезанные в диске, будут иметь тенденцию ограничивать поток вихревых токов и, ограничивая их, увеличивать сопротивление их возможных путей в металле, хотя это не уменьшит электродвижущую силу. В исследованиях Стерджена [9] [10] [11] описан ряд экспериментов по выяснению направлений, в которых текут вихревые токи в дисках. Аналогичные, но более полные исследования провел Маттеучи . Индукция во вращающихся сферах была математически исследована Йохманном, а затем оплакиваемым Герцем .
Фарадей показал несколько интересных экспериментов с вихревыми токами. Среди прочего, он подвесил на скрученной нити кубик меди на прямой линии между полюсами мощного электромагнита (рис. 7). Перед включением тока куб своим весом раскрутил шнур и быстро закрутился. При возбуждении магнита включением тока куб мгновенно останавливается; но снова начинает вращаться, как только прерывается ток. Маттеуччи изменил этот эксперимент, построив куб из квадратных кусочков листовой меди, отделенных друг от друга бумагой. Этот многослойный куб (рис. 8), если подвешивать его в магнитном поле на крючке а так, чтобы его пластинки были параллельны линиям магнитного поля, нельзя было остановить вращение внезапным включением тока в магнитном поле. электромагнит; тогда как если его повесить за крючок b так, чтобы его пластинки находились в вертикальной плоскости, а затем установить вращение, он сразу же остановился, когда электромагнит был возбужден. В последнем случае могли циркулировать только вихревые токи; поскольку они требуют траекторий в плоскостях, перпендикулярных магнитным линиям.
С объяснением, данным Фарадеем вращений Араго, просто вызванных индуцированными вихревыми токами, особый интерес, который они вызывали, пока их причина была неизвестна, кажется, почти угасла. Правда, через несколько лет некоторый интерес возродился, когда Фуко показал, что они способны нагревать металлический диск, если, несмотря на сопротивление, вращение в магнитном поле принудительно продолжалось. Почему это наблюдение должно было вызвать вихревые токи, открытые Фарадеем, поскольку объяснение феномена Араго было названо токами Фуко, неясно. Если кто и имеет право называться вихревые токи в его честь, то это, очевидно, Фарадей или Араго, а не Фуко. Чуть позже Ле Ру представил парадокс: медный диск, вращающийся между концентрическими полюсами магнита, при этом не нагревается и не испытывает никакого сопротивления. Объяснение этому следующее. Если есть кольцевой северный полюс перед одной стороной диска и кольцевой южный полюс перед другой стороной, хотя магнитное поле создается прямо через диск, вихревые токи отсутствуют. Ведь если вокруг диска действуют равные электродвижущие силы, направленные радиально внутрь или радиально наружу, то обратного пути для токов вдоль любого радиуса диска не будет. Периферия просто возьмет немного другой потенциал от центра; но токи не будут течь, потому что электродвижущие силы вокруг любого замкнутого пути в диске уравновешены.
Эксперименты других ученых с медной пластиной
В 1884 году Уиллоуби Смит опубликовал [12] исследование вращающихся металлических дисков, в котором он обнаружил, что железные диски генерируют электродвижущие силы, превосходящие те, которые генерируются в медных дисках такого же размера.
Гатри и Бойз в 1879 году [13] [14] [15] повесили медную пластину на вращающийся магнит с помощью торсионной нити и обнаружили, что скручивание прямо пропорционально скорости вращения. Они указали, что такой прибор был очень точным для измерения скорости машин. Они также провели эксперименты по изменению расстояния между медной пластиной и магнитом, а также по диаметру и толщине медного диска.
Эксперименты проводились с различными металлами, и было обнаружено, что крутящий момент варьируется в зависимости от проводимости металла, насколько последний можно было оценить после прокатки в виде пластины. Затем господа Гатри и Бойз применили этот метод к измерению проводимости жидкостей.
В 1880 году де Фонвьель и Лонтин заметили, что слегка повернутый медный диск можно поддерживать в непрерывном вращении - если однажды он был запущен - путем помещения в присутствии магнита в катушку из медной проволоки, намотанной на прямоугольную раму (например, катушку старого гальванометра) и питается переменным током от обычной индукционной катушки Ruhmkorfif . Они назвали свой прибор электромагнитным гироскопом.
Но, похоже, никому не приходило в голову, что вращения Араго можно было бы использовать при постройке двигателя до 1879 года.
Краткое описание вращения Араго
Магнитная игла свободно подвешена на стержне или веревке на небольшом расстоянии над медным диском. Если диск неподвижен, стрелка совмещается с магнитным полем Земли. Если диск вращается в своей плоскости, игла вращается в том же направлении, что и диск. (Эффект уменьшается по мере увеличения расстояния между магнитом и диском.)
Варианты:
- Если диск свободно вращается с минимальным трением, а игла вращается выше или ниже него, диск вращается в том же направлении, что и игла. (Это легче наблюдать или измерять, если игла представляет собой более крупный магнит.)
- Если игла не может вращаться, ее присутствие замедляет вращение диска. (Это легче наблюдать или измерять, если игла представляет собой более крупный магнит.)
- Другие немагнитные материалы, обладающие электропроводностью (цветные металлы, такие как серебро, алюминий или цинк), также производят эффект.
- Непроводящие немагнитные материалы (дерево, стекло, пластик, лед и т. Д.) Не вызывают эффекта.
Относительное движение проводника и магнита индуцирует вихревые токи в проводнике, которые создают силу или крутящий момент, которые противодействуют или сопротивляются относительному движению или пытаются «соединить» объекты. Такая же сила сопротивления используется в вихретоковом торможении и магнитном демпфировании .
Смотрите также
дальнейшее чтение
- Уолтер Бейли, Способ производства Вращения Араго . 28 июня 1879 г. (Философский журнал: журнал теоретической, экспериментальной и прикладной физики. Taylor & Francis., 1879)
- Сильванус Филлипс Томпсон, Многофазные электрические токи и двигатели переменного тока . 1895 г.
Рекомендации
- ^ Иамин Пар М. (1869). Cours de Physique . III . Париж: Готье-Виллар и другие. п. 296.
- ^ Верде, Э. (1972). Conferences de Physique . Я . Париж: показ. Nationale. п. 415.
- ^ Джеймсон, Роберт (1825). Эдинбургский философский журнал . Эдинбург: Archibald Constable & co. п. 122.
- ^ Гей-Люссак, JL; Араго, Франсуа (1824). Анналы химии и тела . 27 . Париж: Chez Crochard. п. 363.
- ^ Гей-Люссак, JL; Араго, Франсуа (1825). Анналы химии и тела . 28 . Париж: Chez Crochard. п. 325.
- ^ Араго, Франсуа; Гей-Люссак, JL (1826). Анналы химии и тела . 32 . Париж: Chez Crochard. п. 213.
- ^ Араго, Франсуа; Флоранс, Пьер (1856). Ceuvres Завершает "Де Франсуа Араго" . 4 . Париж: Жид и Ж. Бодри. п. 424.
- ^ Если только скорость вращения не очень велика; в этом случае самоиндукция вихревых цепей вызовет запаздывание, смещающее положение радиуса максимального тока вперед радиуса максимальной электродвижущей силы.
- ^ Эдинбургский философский журнал . Нью-Йорк: Арчибальд Констебль. 1819 г.
- ^ Уильям, Фрэнсис (1932). Философский журнал и научный журнал . Лондон: Тейлор и Фрэнсис.
- ^ Осетр, Уильям (1850 г.). Научные исследования . Похоронить: Т. Кромптон. п. 211.
- ^ Тиндаль, Джон (1884). Лекция в Королевском институте: «Вольта и магнитоэлектрическая индукция» .
- ^ Труды физического общества . 3 . Лондон: Тейлор и Фрэнсис. стр. pt.
- ^ Труды физического общества . 3 . Лондон: Тейлор и Фрэнсис. п. 127.
- ^ Труды физического общества . 4 . Лондон: Тейлор и Фрэнсис. п. 55.
Эта статья включает текст из публикации, которая сейчас находится в общественном достоянии : Многофазные электрические токи и двигатели переменного тока . Лондон, Спонн и Чемберлен. 1895 г.
Внешние ссылки
- Вращения Араго (видео на YouTube)