Die Geburt der elektrischen Maschinen ein Kommentar zu Faraday (1832) ‚Experimental-Untersuchungen in
Stichwort: Elektromagnetismus, Induktion, Lichtmaschine, Elektromotor
1. Electromagnetism vor Faraday
Insbesondere war es die verwirrende Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus, die so viele Wissenschaftler fasziniert. Tatsächlich wurde es von einigen behauptet, dass es keine Verbindung überhaupt zwischen den beiden Phänomenen war, obwohl es seit der Mitte des achtzehnten Jahrhundert bekannt war, dass zum Beispiel thunderbolts bestimmte magnetische Effekte geschaffen.
Ein Bericht über # X000d8; rsted Entdeckung kommt in einem Brief seinem Kollegen Christopher Hansteen zu Michael Faraday viele Jahre später schrieb:
# X000d8; rsted ursprüngliche Interpretation wurde, daß die magnetischen Wirkungen, die durch den Strom durch den Draht erzeugte abgestrahlte nach außen in der gleichen Weise, die Wärme oder Licht der Fall ist. Aber nach einer weiteren Experimenten zeigte er in der Tat, dass das erzeugte Magnetfeld um den Draht eingekreist (obwohl natürlich noch niemand war in Bezug auf die Felder zu denken).
Amp # x000e8; re und # X000d8; rsted hatte gezeigt, dass, irgendwie, könnte Strom in Magnetismus umgewandelt werden, aber sie und andere hatten es versäumt, die umgekehrt zu tun: Strom aus Magnetismus zu erstellen.
2. Frühes Leben
Michael Faraday wurde 1791 in Newington Butts, jetzt in South London geboren, dann aber nicht mehr als ein Dorf im ländlichen Surrey. Er war der Sohn eines Schmiedes, der von Cumbria nach unten im Nordwesten von England gezogen war, kurz bevor Michael geboren wurde. Seine Familie waren nicht gut aus und erhielt Faraday eine typische Arbeiterklasse Bildung, die er kompensiert, indem er alle Bücher zu lesen er seine Hände legen konnte auf, eine Leidenschaft, dass er, indem er einen Lehrling zu einem Buchbinder und Buchhändler im Alter von 14 zugeführt . seine wachsende Faszination für die Wissenschaft im Jahr 1812, zu einem Ereignis geführt, die sein Leben und den Lauf der menschlichen Geschichte ändern würde: die jungen Faraday Tickets besucht angeboten bei einem freundlichen Kunden der Buchhandlung von der großen Humphry Davy Vorträge einer Reihe von die Royal Institution, die wenige Jahre zuvor gegründet worden war. Als er Davy präsentierte mit den reichlich Notizen, die er während der Vorträge der große Mann genommen hatte, war so beeindruckt, dass er ihn als seinen Laborant auf nahm. 3 Im folgenden Jahr Faraday reiste mit Davy in ganz Europa, wo er gesehen hätte und hörte viele der führenden Denker des Alters [4]. Als im Jahr 1820 hörte er von # X000d8; rsted Experiment er bestimmt seine eigenen Untersuchungen in die Natur des Elektromagnetismus zu leiten.
Faraday hatte die Gewohnheit, jeden Versuch zu beschreiben, vollständig und sorgfältig Detail, an dem Tag, an dem sie gemacht wurde. Viele der Einträge diskutieren die Konsequenzen, die er von ziehen würde, was er beobachtet hatte. In anderen Fällen skizzieren sie die vorgeschlagene Verlauf einer Forschung über unternommen werden. So ist das Tagebuch weit mehr als ein Katalog der Ergebnisse. Der Leser ist in der Lage Voraus zu folgen, Schritt für Schritt, bis zur endgültigen und grundlegenden Schlussfolgerungen. Er sieht die Idee bildet, seine experimentelle Realisierung und seine Beschäftigung als Halt für das nächste voraus. [7]
3. Experimentelle Untersuchungen in Strom
Die Experimente in dem Papier beschrieben alle zeigten mit zunehmender Komplexität, dass ein Strom dort die ganze Zeit induziert werden Relativbewegung zwischen dem Leiter und dem Magnetfeld war. Im Nachhinein und die entsprechende Sprache, die wir heute verwenden, sagen wir, dass ein Strom in einem Leiter induziert wird, wenn es in einem sich ändernden Magnetfeld ist. Damit dies geschehen kann, ist es egal, ob es der leitende Draht oder das Objekt ist, das Magnetfeld (entweder einen Permanentmagnet oder eine andere Leitung mit einem elektrischen Strom durchflossen wird) erzeugen, die tatsächlich in Bewegung ist.
Er fand heraus, als nächstes eine weitaus effektiver Weg, um das Magnetfeld zu verändern: durch zwei Drähte bewegen, einem mit einer Batterie verbunden und das andere an einem Galvanometer, aufeinander zu oder voneinander weg. Die Galvanometernadel durch Vibrieren einer Art und Weise und das andere in einem Schritt mit der Bewegung der Drähte hin und her umgesetzt. Aber sobald sie gebracht wurden, so hat den Galvanometernadel zur Ruhe, was anzeigt, nicht mehr Strom durch den zweiten Draht, auch wenn es kontinuierlich durch die erste fließt fortgesetzt.
Es ist erwähnenswert, dass die Natur gemeinsam mit anderen Forschern zu der Zeit, immer noch nicht verstanden, an dieser Stelle Faraday, die Elektrizität selbst. Er bezieht sich auf den Strom durch einen Draht aufgrund einer voltaischen Batterie als voltaischen Strom fließt, und die Wirkung, die sie auf dem zweiten Draht als volta elektrische Induktion aufweisen. Er unterscheidet diese von der elektrischen Entladung von einer Leidener Flasche als Strom von Spannung oder gewöhnlichen Strom. Es wäre nicht, bis er den ersten Faraday-Käfig im Jahr 1836 gebaut, dass er begann, als eine Kraft der Elektrizität zu denken, statt einer Flüssigkeit.
Faraday'schen Induktionsring war in der Tat der erste elektrische Transformator. Es überlebt bis heute und ist auf dem Display in der Royal Institution des Museums (Abbildung 1). Es gibt keinen Zweifel daran, dass dies eine der wichtigsten wissenschaftlichen Objekte bleibt die Geschichte der Wissenschaft.
Faraday'schen Induktionsring (1831). Foto mit freundlicher Genehmigung der Royal Society / Science and Society Picture Library.
Faraday ging dann zu beachten, dass der induzierte Strom den Eisenring mit einem Kupfer eine durch Ersatz war viel schwächer, und ähnlich wie wenn die gewickelten Drähte, wo nicht rund haupt etwas zu verwunden. Offensichtlich ist der Unterschied hier, dass der Eisenring einen viel stärkeren Elektromagneten erzeugen half, in einer Weise, die nicht-magnetische Kupfer konnte nicht tun.
Faraday erkannte er mußte einen Weg zur Herstellung eines veränderliches Magnetfeld finden und ging auf eine verbesserte Version von Aragos Disc Experiment zu entwerfen. Er montierte, um eine Kupferscheibe auf einer Messing-Achsen, so dass sie sich frei zwischen zwei Polen eines Permanentmagneten rotieren können. Er schließt sich dann die Scheibe zu einem Galvanometer durch einen Draht an seiner Mitte befestigt und ein anderes seiner Felge berühren (wie in Abbildung 2).
Mit diesem Experiment war Faraday der Lage zu zeigen, wie ein Magnetfeld und kontinuierliche mechanische Bewegung einen kontinuierlichen elektrischen Strom erzeugen würden. Er hatte den elektrischen Generator erfunden.
Er geht dann auf den beiden Adern anschließen, die der Spinnscheibe auf der Felge zu verschiedenen Punkten an dem Galvanometer verbunden und erkennt, dass der induzierte Strom auf die Bewegung der Scheibe immer im rechten Winkel ist, und dass in diesem Fall der Stromfluss einer Radialrichtung ist in.
Natürlich können wir sehen, wie Faraday weit weg, und andere, vom Verständnis der wahren Natur des elektrischen Stroms durch die Art, wie er bezieht sich immer noch auf die verschiedenen Arten von Elektrizität zu dieser Zeit waren. Er definiert fünf verschiedene Typen: Voltaic-Strom (wie durch eine Batterie hergestellt), Gemeinsamer-Strom (wie die Entladung von einem aufgeladenen Körper wie ein Leyden jar), Magneto-Strom (womit er ein induzierten Strom), Thermo- Strom und Tier-Strom (wie bekannt, wurde von einigen Lebewesen erzeugt werden, wie beispielsweise die elektrische eEL).
4. Faradayschen Fehler
5. Auswirkungen der Faradays Entdeckung
Es besteht kein Zweifel, dass die in der Faradayschen Papier beschriebenen Experimente nicht nur die Grundlage für wirklich das Verständnis der Natur der Elektrizität gelegt, aber für die praktische Anwendung in einer Weise, die unsere Welt verändern würde. Innerhalb weniger Monate wurden viele Erfinder daran interessiert, diese wundersame möglichen Anwendungen, und doch viele von ihnen nicht verstanden, oder sogar egal, über die Physik hinter der elektromagnetischen Induktion. Tatsächlich wäre eine wahre mathematische Theorie nicht, bis die Arbeit von James Clerk Maxwell im Jahr 1865 entstehen.
Die erste wichtige praktische Anwendung der Faradays Entdeckung wäre jedoch nicht der elektrische Generator aber der Telegraph. Basierend auf der Fähigkeit, einen Magneten in einem Abstand zu steuern, erlaubt diese Erfindung die Möglichkeit der Kommunikation lange Strecke, die die Welt verbinden würde. Und es wurde auf eine sehr einfache Idee zugrunde: die Bewegung einer leitende Spule über einen Magneten an einem Ort induziert einen Strom, der an einem anderen Ort übertragen wird, wo sie einen Galvanometer auswirken. Die Idee wurde fast so schnell umgesetzt wie die Welt der Faradayschen Arbeit gelernt, vor allem durch Pavel Schilling, Carl Friedrich Gauss und Wilhelm Weber. Innerhalb weniger Jahre wurde es von Cooke und Wheatstone in Großbritannien (1837) und von Morse und Vail in den USA (1838) vermarktet. Eine kommerziellen, großflächige Anwendung von Faradays Entdeckung würde von der Galvanis von Birmingham bereits 1844. Es ist mindestens zwei Unternehmen nutzten seine Verfahren zur Extraktion von Strom aus Magnetismus in großem Maßstab [12] gemacht.
Bis Mitte der 1860er Jahre mehrere Wissenschaftler und Erfinder entwickelten praktische Entwürfe für die dynamoelektrische Maschine. Diese Vorrichtungen wurden unter Verwendung von Eigenversorgungs elektromagnetische Feldspulen anstelle von Permanentmagneten zu viel größere Energieerzeugungs zum ersten Mal aktiviert. Als solcher führte sie zu den ersten großen industriellen Verwendungen von Strom und waren die ersten Generatoren der Lage, für die Industrie ausreichend Leistung liefern.
Heute dominiert die Lichtmaschine groß angelegte Stromerzeugungs- und stützt sich auf ein Fluid, in der Regel Wasserdampf, die als ein Energiezwischenträger wirkt, um die Turbinen anzutreiben und Elektrizität zu erzeugen. In Nuklear- und Kohlekraftwerken, die Wärme aus der Kernspaltung und die chemischen Verbrennung von Kohlenstoff hergestellt bzw. ist, was verwendet wird, um Wasser in Dampf zu verwandeln. In gewissem Sinne können alle Kraftwerke primitiv als riesiger Kessel angesehen werden.
Während seines ganzen Lebens war Faraday weit mehr daran interessiert, das Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Basis von Elektromagnetismus und elektromagnetische Induktion als viele andere Wissenschaftler seiner Zeit, die lieber mehr besessen waren mit seinen Entdeckungen in die Praxis setzen. Heute haben wir Faraday noch verwenden als das beste Beispiel für Neugier orientierte wissenschaftliche Forschung um ihrer selbst willen durchgeführt.
Anerkennungen
3 Für eine Darstellung von Faradays Leben siehe [2, 3].
8 Beachten Sie, dass, wenn die Seriennummer nicht angegeben ist, dann sind wir das erste Papier bezeichnen, was natürlich ist das Thema dieses Artikels.
9 Frank James an der Royal Institution derzeit eine elektronische Ausgabe von Faradays Labor Notebook bereitet seine Induktionsversuche abdeckt.
10 Holmes frühesten Maschine, für Gleichstrom, 120 Permanentmagnete Hufeisenform, von denen jede mit einem Gewicht von 50 Pfund, zusammen mit 160 Spulen eingebaut ist; Folgeversionen waren etwas kleiner.
Autorenprofil
Referenzen
14. Niven WD, editor. (Hrsg.). 1965. Die wissenschaftlichen Arbeiten von James Clerk Maxwell, Dover Publications, nach Absprache mit der Cambridge University Press. Seite 157.
16. Maxwell JC. 1873. Treatise auf Elektrizität und Magnetismus. 2 Bände Oxford, UK: Clarendon Press.
Artikel aus Philosophische Transaktionen. Serie A, Mathematik, Physik und Ingenieurwissenschaften werden hier mit freundlicher Genehmigung von The Royal Society