ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ ИНДУКЦИЯ
: САМ СЕБЕ ЭЛЕКТРИК : 2.10.04
Для современного уровня познания физики возникновения электрических токов является аксиомой невозможность обеспечения кулоновским электрическим полем (поле, создаваемое электрическими зарядами, электростатическое поле) устойчивого электрического тока в проводнике. Äëÿ ñîâðåìåííîãî óðîâíÿ ïîçíàíèÿ ôèçèêè âîçíèêíîâåíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ òîêîâ ÿâëÿåòñÿ àêñèîìîé íåâîçìîæíîñòü îáåñïå÷åíèÿ êóëîíîâñêèì ýëåêòðè÷åñêèì ïîëåì (ïîëå, ñîçäàâàåìîå ýëåêòðè÷åñêèìè çàðÿäàìè, ýëåêòðîñòàòè÷åñêîå ïîëå) óñòîé÷èâîãî ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà â ïðîâîäíèêå. Ïåðåíîñ íîñèòåëåé â öåïè ïîñòîÿííîãî òîêà âîçìîæåí ëèøü ñ ïîìîùüþ ñèë íå ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ. Ýòî, òàê íàçûâàåìûå, ñòîðîííèå ñèëû. Ïðèðîäà ñòîðîííèõ ñèë ìîæåò áûòü ñàìîé ðàçíîîáðàçíîé. Íàïðèìåð, â äâèæóùåìñÿ ïðîâîäíèêå ýòî ñèëà Ëîðåíöà, äåéñòâóþùàÿ ñî ñòîðîíû ìàãíèòíîãî ïîëÿ íà ýëåêòðîíû, â ãåíåðàòîðàõ ýëåêòðè÷åñòâà ñòîðîííÿÿ ñèëà èìååò ìàãíèòíóþ ïðèðîäó; â ãàëüâàíè÷åñêîì ýëåìåíòå òèïà ýëåìåíòà Âîëüòà äåéñòâóþò õèìè÷åñêèå ñèëû.  ýëåêòðîìàãíèòíîé òåîðèè ñòîðîííèå ñèëû îïðåäåëåíû ñëåäóþùèì ïîëîæåíèåì: "Ëþáûå ñèëû, äåéñòâóþùèå íà ýëåêòðè÷åñêè çàðÿæåííûå ÷àñòèöû, çà èñêëþ÷åíèåì ïîòåíöèàëüíûõ ñèë ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ, ò.å. êóëîíîâñêèõ, íàçûâàþò ñòîðîííèìè ñèëàìè" [1,2].
Îòìåòèì, ÷òî ñèëà Ëîðåíöà â ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè, ñàìà ïî ñåáå íå ìîæåò îáåñïå÷èòü ïîñòîÿííîãî òîêà â ïðîâîäíèêå – äëÿ âîçíèêíîâåíèÿ òîêà íåîáõîäèìî îòíîñèòåëüíîå ïåðåìåùåíèå ìàãíèòíîãî ïîëÿ è ïðîâîäíèêà.
Âîïðåêè ñóùåñòâóþùåìó ïîëîæåíèþ ïîêàæåì, ÷òî ïðè îòíîñèòåëüíîì ïåðåìåùåíèè êóëîíîâñêîãî (ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî) ïîëÿ è ïðîâîäíèêà â ñèñòåìå òàêæå èìååò ìåñòî ïåðåìåùåíèå íîñèòåëåé çàðÿäîâ.
Èññëåäîâàíèÿ ïî èçó÷åíèþ âçàèìîäåéñòâèÿ çàðÿäîâ ïðîâîäíèêà è êóëîíîâñêîãî ïîëÿ ïðè èõ îòíîñèòåëüíîì ïåðåìåùåíèè [3], ïðîâîäèëèñü íà ðàçðàáîòàííûõ è èçãîòîâëåííûõ, íå èìåþùèõ àíàëîãîâ, ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ìîäåëÿõ ñ èñïîëüçîâàíèåì ïðîâîäíèêîâ ðàçëè÷íîé ôîðìû (ñôåðè÷åñêèå, ïëîñêèå è äð.), ñ ýëåêòðîííîé è èîííîé ïðîâîäèìîñòüþ. Óñòàíîâêè áûëè ñíàáæåíû èëè íåîíîâîé ëàìïî÷êîé, çàãîðàíèå êîòîðîé ñëóæèëî èíäèêàòîðîì íàëè÷èÿ òîêà, èëè èñïîëüçîâàëèñü ñòàíäàðòíûå ïðèáîðû (ýëåêòðîìåòð, ãàëüâàíîìåòð), êîòîðûå ôèêñèðîâàëè íàëè÷èå òîêà, åãî âåëè÷èíó è íàïðàâëåíèå.
 äàííîì èçëîæåíèè ïðèâîäèòñÿ îïèñàíèå îäíîãî èç ýêñïåðèìåíòîâ, íàèáîëåå ïðîñòî äåìîíñòðèðóþùåì ñóòü ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ. Èçâåñòíî, ÷òî åñëè òîêîïðîâîäÿùèé øàð âíåñòè â ïîòåíöèàëüíîå ýëåêòðîñòàòè÷åñêîå ïîëå, òî â íåì ïðîèçîéäåò ïåðåðàñïðåäåëåíèå çàðÿäîâ ïî çàêîíó ýëåêòðîñòàòè÷åñêîé èíäóêöèè (ðèñ. 1).  íàøèõ ýêñïåðèìåíòàõ øàðó ïðèäàëè âðàùåíèå, ÷òî ðàíåå íèêåì íå ðàññìàòðèâàëîñü.
Ðèñ. 1. Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ ìîäåëü âîçáóæäåíèÿ èíäóêöèîííîãî òîêà â òîêîïðîâîäÿùåì øàðå
 ïðîöåññå âðàùåíèÿ ïåðåðàñïðåäåëåííûå çàðÿäû, ïîä äåéñòâèåì âíåøíåãî ïîëÿ áóäóò îñòàâàòüñÿ íà ñòîðîíå, îáðàùåííîé ê âíåøíåìó ïîëþ.  äàííîì ñëó÷àå çàðÿäû îñòàþòñÿ íà ìåñòå, à ïðîâîäíèê, êîòîðîìó ïðèíàäëåæàò ýòè çàðÿäû, äâèæåòñÿ.  øàðå âîçáóæäàåòñÿ òîê.
Äëÿ äåìîíñòðàöèè âîçáóæäåíèÿ â øàðå òîêà ïîâåðõíîñòü øàðà, èçãîòîâëåííîãî èç äèýëåêòðèêà, áûëà îáêëååíà ïîëóñôåðàìè èç àëþìèíèåâîé ôîëüãè ñ çàçîðîì 3 ìì è ïðîèçâåäåíî èõ ñîåäèíåíèå ÷åðåç íåîíîâóþ ëàìïî÷êó, êîòîðàÿ ÿâëÿëàñü èíäèêàòîðîì òîêà.
Ïðè âðàùåíèè øàðà ëàìïî÷êà ãîðèò!
Íåòðóäíî ïðåäñòàâèòü, ÷òî ïðè âðàùåíèè èñòî÷íèêà êóëîíîâñêîãî ïîëÿ âîêðóã ïðîâîäíèêà (øàðà) ëàìïî÷êà òàêæå áóäåò ãîðåòü.  ýòîì ñëó÷àå èñòî÷íèê âíåøíåãî ïîëÿ "òÿíåò" çà ñîáîé ñâîáîäíûå çàðÿäû ïðîâîäíèêà.
Äëÿ îïðåäåëåíèÿ êîëè÷åñòâåííûõ õàðàêòåðèñòèê èíäóêöèîííîãî òîêà â ïðîâîäíèêå èçãîòîâèëè ïîäîáíóþ óñòàíîâêó, â êîòîðîé èíäóöèðîâàííûå êóëîíîâñêèì ïîëåì çàðÿäû ïåðåìåùàëèñü ïî çàìêíóòîìó êîíòóðó ÷åðåç ãàëüâàíîìåòð [4]. Ïðè ýòîì èçìåíÿëè ñêîðîñòü âðàùåíèÿ øàðà è íàïðÿæåííîñòü ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïîëÿ. Ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòîâ ïîêàçàëè, ÷òî âåëè÷èíà âîçíèêàþùåãî ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíà ÷àñòîòå âðàùåíèÿ ïðîâîäíèêà è ðàñòåò ñ óâåëè÷åíèåì íàïðÿæåííîñòè êóëîíîâñêîãî ïîëÿ. Ýòèì ñâîéñòâàì óäîâëåòâîðÿåò , ò.å. ñêîðîñòü èçìåíåíèÿ ïîòîêà âåêòîðà , ïðîíèçûâàþùåãî ïîâåðõíîñòü ïðîâîäíèêà (ôèêñèðîâàííîãî ñåãìåíòà). Ïðè ýòîì , (1)
ãäå Sc – ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè ñåãìåíòà;
a – óãîë ìåæäó íàïðàâëåíèåì âåêòîðà è íîðìàëüþ ê ðàññìàòðèâàåìîé
ïîâåðõíîñòè.
Äåéñòâèòåëüíî:
, (2)
ãäå En = E× cosa .
Ïðè ñòàöèîíàðíîì êóëîíîâñêîì ïîëå , (3)
ïîýòîìó . (4)
Ýòî âûðàæåíèå äîêàçûâàåò õàðàêòåðíîñòü âûäåëåííûõ ñâîéñòâ äëÿ âåëè÷èíû N è ñïðàâåäëèâî äëÿ ïðîèçâîëüíîãî ïðîâîäíèêà, êîòîðûé äâèæåòñÿ âî âíåøíåì êóëîíîâñêîì ïîëå. Åñëè ïðîâîäíèê ñôåðè÷åñêèé è âðàùàåòñÿ ñ ïîñòîÿííîé ÷àñòîòîé, òî èç (4) ñëåäóåò:
(5)
Çäåñü: w – ÷àñòîòà âðàùåíèÿ ñåãìåíòà (ïðîâîäíèêà);
R – ðàäèóñ ñôåðû;
– åäèíè÷íûé âåêòîð óãëîâîé ñêîðîñòè âðàùåíèÿ;
– åäèíè÷íûé ðàäèóñ-âåêòîð òî÷åê ïîâåðõíîñòè ñôåðû.
Ãðàäèåíò âåëè÷èíû Å, ò.å. , âîçðàñòàåò, êàê èçâåñòíî, ïðè óâåëè÷åíèè Å. Èòàê:
Ý.Ä.Ñ. ~ I ~ . (6)
Èç âûðàæåíèÿ (5) ñëåäóåò, ÷òî Ý.Ä.Ñ., I è óâåëè÷èâàþòñÿ ïðè ðîñòå – ìîäóëÿ ñêîðîñòè îòíîñèòåëüíîãî ïåðåìåùåíèÿ ïðîâîäíèêà è èñòî÷íèêà êóëîíîâñêîãî ïîëÿ.
Ñ ó÷åòîì âñåõ ïðîâåäåííûõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé ñôîðìóëèðîâàíî îñíîâíîå ïîëîæåíèå: "Ýëåêòðîäâèæóùàÿ ñèëà, âîçíèêàþùàÿ â êîíòóðå, ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíà ñêîðîñòè èçìåíåíèÿ ïîòîêà íàïðÿæåííîñòè ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïîëÿ ÷åðåç ëþáóþ ïîâåðõíîñòü, îïèðàþùóþñÿ íà äàííûé êîíòóð. Ïðè âîçáóæäåíèè òîêà ñóùåñòâåííî ëèøü îòíîñèòåëüíîå ïåðåìåùåíèå ïðîâîäíèêà è ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ êóëîíîâñêîé ïðèðîäû".
 îêòÿáðå 2000 ã. Ìåæäóíàðîäíîé Àññîöèàöèåé àâòîðîâ íàó÷íûõ îòêðûòèé (ã. Ìîñêâà) íà îñíîâàíèè ðåçóëüòàòîâ ýêñïåðòèçû çàÿâêè íà îòêðûòèå âûäàí äèïëîì ¹ 149 íà îòêðûòèå "ßâëåíèå âîçáóæäåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà â ïðîâîäíèêå, äâèæóùåìñÿ â ýëåêòðîñòàòè÷åñêîì ïîëå". Àâòîðû íàó÷íîãî îòêðûòèÿ Äþäêèí Ä.À. è Êîìàðîâ À.À. [5].
Òàêèì îáðàçîì, â íàñòîÿùåå âðåìÿ ìîæíî ñ÷èòàòü òâåðäî óñòàíîâëåííûì, ÷òî ýëåêòðè÷åñêèé òîê â ïðîâîäíèêàõ ìîæåò âîçíèêàòü íå òîëüêî ïîä äåéñòâèåì ìàãíèòíîãî ïîëÿ, íî è ïîä äåéñòâèåì ñèë ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ êóëîíîâñêîé ïðèðîäû, ïðè óñëîâèè îòíîñèòåëüíîãî ïåðåìåùåíèÿ ïîëÿ è ïðîâîäíèêà.
Ïðè ýòîì âîçáóæäåíèå òîêà â ïðîâîäíèêå ïðîèñõîäèò âñëåäñòâèå ýëåêòðè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ñâîáîäíûõ çàðÿäîâ ïðîâîäíèêà è èñòî÷íèêà êóëîíîâñêîãî ïîëÿ â äèíàìèêå èõ îòíîñèòåëüíîãî ïåðåìåùåíèÿ áåç ó÷àñòèÿ ìàãíèòíîé ñîñòàâëÿþùåé. Çäåñü íàïðàâëåíèå âîçíèêàþùåãî òîêà â ñèñòåìå îòñ÷åòà, òåñíî ñâÿçàííîé ñ ïðîâîäíèêîì, ñîâïàäàåò ñ íàïðàâëåíèåì äâèæåíèÿ èñòî÷íèêà êóëîíîâñêîãî òîêà.
Ñîîòíîøåíèå (6) ïî ôîðìå àíàëîãè÷íî óðàâíåíèþ äëÿ ý.ä.ñ. ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè, âîçíèêàþùåé ïðè íåíóëåâîì çíà÷åíèè , ãäå Ô – ìàãíèòíûé ïîòîê, ïðîíèçûâàþùèé ïîâåðõíîñòü, îïèðàþùóþñÿ íà êîíòóð ïðîâîäíèêà
Ô = dS, ãäå Â – èíäóêöèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ.
Îäíàêî, ðàññìàòðèâàåìîå ÿâëåíèå ïî ñâîåé ïðèðîäå (ìåõàíèçì è ïðàâèëî îïðåäåëåíèÿ íàïðàâëåíèÿ òîêà) îòëè÷íî îò ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè, à ïîäîáèå î íåîáõîäèìîñòè îòíîñèòåëüíîãî ïåðåìåùåíèÿ ïîëÿ è ïðîâîäíèêà ïîäòâåðæäàåò, ÷òî ýêñïåðèìåíòàëüíî îáíàðóæåííîå íîâîå ÿâëåíèå íå ïðîòèâîðå÷èò, à óãëóáëÿåò è ðàñøèðÿåò ïîçíàíèå ôóíäàìåíòàëüíûõ çàêîíîâ ýëåêòðîäèíàìèêè, ðàñêðûâàåò ðàíåå íåèçâåñòíûå îáúåêòèâíî ñóùåñòâóþùèå çàêîíîìåðíîñòè, âíîñèò êîðåííûå èçìåíåíèÿ â óðîâåíü ïîçíàíèÿ çàêîíîâ ïðèðîäû.
Ñ íàøåé òî÷êè çðåíèÿ, ýòîò íîâûé âèä èíäóêöèè òîêà â ïðîâîäíèêå, èìåþùåé ýëåêòðîäèíàìè÷åñêóþ ïðèðîäó, â îòëè÷èå îò èíäóêöèè ýëåêòðîìàãíèòíîé, öåëåñîîáðàçíî êëàññèôèöèðîâàòü êàê èíäóêöèþ ýëåêòðîäèíàìè÷åñêóþ.
Îòêðûòèå ïðèíöèïèàëüíûì îáðàçîì èçìåíÿåò ðàíåå èçâåñòíûå ïðåäñòàâëåíèÿ â òåîðèè ýëåêòðè÷åñòâà îá èíäóêöèè òîêîâ. Èñõîäÿ èç ïðîâåäåííûõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ è òåîðåòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé ìîæíî êîíñòàòèðîâàòü, ÷òî èíäóêöèîííûé òîê (â îïðåäåëåííûõ ñëó÷àÿõ – ýòî òîê ïðîâîäèìîñòè) ìîæåò âîçíèêàòü è áåç íàëè÷èÿ çàìêíóòîé öåïè, è áåç íàëè÷èÿ ïðèâû÷íûõ èñòî÷íèêîâ òîêà (ãàëüâàíè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, àêêóìóëÿòîðîâ è ò.ï.).  ïðåäñòàâëåííûõ ýêñïåðèìåíòàõ, êàê áûëî ïîêàçàíî, äëÿ âîçíèêíîâåíèÿ èíäóêöèîííîãî òîêà ñóùåñòâåííî ëèøü îòíîñèòåëüíîå ïåðåìåùåíèå èñòî÷íèêà ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ è ïðîâîäíèêà.
Íà ñîçäàííîé íàó÷íîé îñíîâå öåëåñîîáðàçíî ïðîâåñòè òåîðåòè÷åñêóþ ïðîðàáîòêó íîâîãî ðàçäåëà òåîðèè ýëåêòðè÷åñòâà, ðàññìàòðèâàþùåãî çàêîíîìåðíîñòè ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé èíäóêöèè.
 õîäå ïðîâåäåíèÿ èññëåäîâàíèé áûëè îáíàðóæåíû è äðóãèå, ðàíåå íå èçâåñòíûå, çàêîíîìåðíîñòè.
Ýêñïåðèìåíòàëüíûì ìîäåëèðîâàíèåì áûëî âûÿâëåíî èíâåðñèîííîå âçàèìîäåéñòâèå çàðÿæåííûõ òåë. Òåëà, çàðÿæåííûå îäíîèìåííûì çàðÿäîì ìîãóò íå òîëüêî îòòàëêèâàòüñÿ, íî è ïðèòÿãèâàòüñÿ.
Áûëî òàêæå îáíàðóæåíî, ÷òî ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ, â ðåçóëüòàòå îòíîñèòåëüíîãî ïåðåìåùåíèÿ äâóõ íåñîïðèêàñàþùèõñÿ ïðîâîäíèêîâ, èìåþùèõ íåñêîìïåíñèðîâàííûå çàðÿäû, òàêæå âîçíèêàåò èíäóêöèîííûé òîê.
Íàó÷íûå ðåçóëüòàòû èìåþò è ïðèêëàäíîå çíà÷åíèå. Íàïðèìåð, ðàçðàáîòàíû íîâûå ñïîñîáû ýëåêòðîôèçè÷åñêîãî âîçäåéñòâèÿ íà äâèæóùèéñÿ ìåòàëëè÷åñêèé ðàñïëàâ. Îòêðûâàþòñÿ íîâûå âîçìîæíîñòè ñîçäàíèÿ ãåíåðàòîðîâ ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà íà îñíîâå ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé èíäóêöèè.  ïðèðîäå òàêîé ãåíåðàòîð ñóùåñòâóåò – ýëåêòðîïðîâîäíàÿ Çåìëÿ âðàùàåòñÿ â ìîùíîì ýëåêòðîñòàòè÷åñêîì ïîëå èîíîñôåðû.
Îá ýòîì ñëåäóþùåå ñîîáùåíèå.
Áèáëèîãðàôè÷åñêèé ñïèñîê
- Áóõîâöåâ Á.Á., Êëèìàíòîâè÷ Þ.À., Ìÿêèøåâ Ã.Ë. Ôèçèêà. – Ì.: Ïðîñâåùåíèå, 1976. – 165 ñ.
- ßâîðñêèé Á.Ì., Ñåëåçíåâ Þ.À. Ñïðàâî÷íîå ðóêîâîäñòâî ïî ôèçèêå. – Ì.: Íàóêà, 1989. – 576 ñ.
- Äþäêèí Ä.À., Êîìàðîâ À.À. Ýëåêòðîäèíàìè÷åñêàÿ èíäóêöèÿ. Íîâàÿ êîíöåïöèÿ ãåîìàãíåòèçìà // Ïðåïðèíò ÍÀÍÓ, ÄîíÔÒÈ-01-01, 2001. – 70 ñ.
- Äþäêèí Ä.À., ×èëèêèí À.È. Âîçáóæäåíèå òîêà â ñèñòåìå ïðîâîäíèê – ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå // Àêòóàëüíûå ïðîáëåìû ôóíäàìåíòàëüíûõ íàóê: Ìàòåðèàëû ìåæäóí. íàó÷.-òåõí. êîíô. – Ì.: ÌÃÒÓ, 1991. Ò. 3. Ñ. 131 – 134.
- Íàó÷íûå îòêðûòèÿ (Ñá. êðàòêèõ îïèñàíèé, 2000 ã.) // Ìåæä. àêàäåìèÿ àâòîðîâ íàó÷íûõ îòêðûòèé è èçîáðåòåíèé. Ìîñêâà. 2001.
Èñòî÷íèê: SciTecLibrary.ru
© Äþäêèí Äìèòðèé Àëåêñàíäðîâè÷, ïðîôåññîð, ä.ò.í., Ëàóðåàò Ãîñóäàðñòâåííîé ïðåìèè Óêðàèíû â îáëàñòè íàóêè è òåõíèêè.
Ðàáîòà âûïîëíåíà â Äîíåöêîì Íàöèîíàëüíîì Òåõíè÷åñêîì Óíèâåðñèòåòå (Óêðàèíà).
Òåëåôîí (8-10-38062) 335-84-18, 335-11-37, ôàêñ (8-10-38062) 3322337.
E-mail: ovomr@yandex.ru
ElectroMaster - .65
https://electromaster.ru
URL :
https://electromaster.ru/article.php?storyid=42
|