Študentské projekty

VÝZNAMNÍ FYZICI

MICHAEL FARADAY

AUTORKA EDUKAČNÉHO TEXTU: KAŠPEROVÁ SLAVOMÍRA

Kombinácia: FYZIKA – MATEMATIKA

PREŠOV 2004

OBSAH

Úvod

Abstrakt

1.1. Životopis

2.1. Elektromagnetická indukcia

3.1. Faradayov zákon elektromagnetickej indukcie

4.1. Elektrické pole

4.2. Magnetické pole

Záver

Použitá literatúra

Prílohy

ABSTRAKT

Témou tohto projektu je významný anglický fyzik a chemik Michel Faraday, ktorý napomohol k rozvoju vedy. Cieľom tohto projektu je poukázať na zmysel práce a bádania významného fyzika, ktorý prispel k rozvoju vedy a techniky na celom svete.

Pre túto osobnosť sme sa rozhodli z niekoľkých príčin. Michael Faraday patrí medzi významné osobnosti, ktorým ani zlé rodinné pomery nezabránili, aby bol jedným z tých, ktorí vytvorili novú etapu vedy a techniky. Zaoberal sa zložitými fyzikálnymi a chemickými dejmi, ktoré definoval a vysvetľoval prostredníctvom pokusov, a práve vďaka nemu dnes dokážeme pochopiť niektoré deje, s ktorými sa aj v bežnom živote často stretávame.

KĽÚČOVÉ SLOVÁ: ELEKTROMAGNETICKÁ INDUKCIA, FARADAYOV ZÁKON ELEKTROMAGNETICKEJ INDUKCIE, ELEKTRICKÉ POLE

ÚVOD

Úlohou prírodovedných predmetov v škole je priblížiť žiakom hlavné črty súčasného prírodovedného obrazu sveta, ktorý by zodpovedal veku v úrovni myslenia žiakov. Žiaci sami nie sú schopní vedomosti získané v jednotlivých prírodovedných predmetoch syntetizovať do celku. Preto je potrebné, aby didaktické systémy prírodovedných predmetov na základnej škole neboli navzájom izolované, ale aby sa v nich rešpektovali objektívne existujúce medzipredmetové vzťahy. Len tak možno u žiakov vypestovať schopnosť transferu vedomosti, zručnosti a návykov z jedného prírodovedného predmetu do druhého.

1.1. ŽIVOTOPIS

Michael Faraday sa narodil 25.11.1791, zomrel v roku 1867. Jeden z najvýznamnejších fyzikov všetkých čias. Pre skromné rodinné pomery neskončil ani základnú školu. Ako 13-ročný sa učil za knihára. Po večeroch navštevoval populárnovedné prednášky z fyziky a astronómie.

V roku 1812 sa zúčastnil na niekoľkých prednáškach H. Davyho a v roku 1913 sa stal jeho asistentom na Kráľovskom inštitúte v Londýne. V roku 1825 prevzal po ňom miesto riaditeľa tohto ústavu a neskôr sa stal profesorom chémie. V roku 824 ho zvolili za člena Kráľovskej spoločnosti. Bol členom IF a AV všetkých európskych krajín.

V roku 1813 až 1815 sprevádzal Davyho na cestách po Francúzsku, Taliansku a Švajčiarsku, kde sa zoznámil s významnými bádateľmi Ampérom, Gay-Lussacom a inými, ktorí si všimli jeho mimoriadne nadanie.

Faraday sa zaoberal výrobou optických skiel a oceľových zliatin. V roku 1824 objavil benzol. Faradayovo meno je nerozlučne späté s rozvojom poznatkov o elektrine, jeho práca podstatne zmenila predstavy, ktoré dovtedy vládli v náuke o elektrine a magnetizme.

V roku 1831 objavil elektromagnetickú indukciu, v roku 1834 jav vlastnej indukcie a zákony o elektrolýze, dielektrické a diamagnetické javy, v roku 1851 atmosferický magnetizmus. Objavil aj otáčanie roviny polarizačného svetla elektrickým prúdom a magnetom. Dokázal, že magnetické vlastnosti sú rozličné podľa rozličných smerov. Analyzoval nerasty.

Zaviedol pojem elektrického a magnetického poľa a pojem siločiar. Dodnes sa používajú pojmy Faradayova klietka, Faradayov jav, Faradayov náboj, Faradayov prúd.

Kým jeho experimentálne práce mali veľký úspech, jeho teoretické názory sa prijímali s nedôverou. Až J. C. Maxwell našiel ich matematické formulácie a urobil ich východiskom svojej elektromagnetickej teórie svetla. Väčšinu svojich výskumov Faraday zhrnul v dielach Experimental Researches in Electricity (1839-55) a Experimental Researches in Chemistry and Physics (1859).

2.1. ELEKTROMAGNETICKÁ INDUKCIA

Zostavíme jednoduchý obvod z cievky a voltmetra s nulou uprostred. Keď približujeme tyčový magnet k cievke (obr.1-1), ukáže voltmeter výchylku. Pri vzďaľovaní magnetu je výchylka opačná. Rýchlejším pohybom magnetu zodpovedajú väčšie výchylky voltmetra. Keď magnetom nepohybujeme, klesne výchylka na nulu.

Rovnaké výsledky dosiahneme, keď necháme magnet v pokoji a budeme pohybovať cievkou.

S týchto pokusov vyplýva, že pri vzájomnom pohybe magnetu a cievky vzniká v cievke elektromotorické napätie. Hovoríme, že sa v cievke indukuje elektromotorické napätie. Prúd, ktorý pri tom v obvode vzniká nazýva sa indukovaný prúd.

Nahradíme magnet cievkou, ktorú pripojíme cez reostat k akumulátorovej batérii (obr.1-2). Vznikne tak dvojica obvodov: primárny obvod s primárnou cievkou P a sekundárny obvod so sekundárnou cievkou S.

Z pokusov ďalej vyplýva, že v sekundárnej cievke sa indukuje elektromotorické napätie pri akejkoľvek zmene prúdu v primárnej cievke. Pri zmenšení alebo vypnutí prúdu sa v sekundárnej cievke indukuje opačné elektromotorické napätie a indukovaný prúd má opačný smer ako pri zapnutí alebo zväčšení prúdu.

Keď primárnou cievkou prechádza prúd, indukuje sa v sekundárnej cievke elektromotorické napätie aj pri vzájomnom približovaní alebo vzďaľovaní oboch cievok. Voltmeter ukazuje pri vzďaľovaní cievok opačnú výchylku ako pri približovaní; tieto indukované elektromotorické napätia sú opačné podobne ako pri pokusoch s tyčovým magnetom a cievkou.

Vo vzťažnej sústave pevne spojenej s cievkou, na ktorej sme pri všetkých týchto pokusoch merali voltmetrom indukované elektromotorické napätie, bola cievka v časovo premennom magnetickom poli. Pokusom sa však môžeme presvedčiť, že sa v cievke, ktorá je v časovo premennom homogénnom magnetickom poli umiestnená tak, že jej os je kolmá na vektor magnetickej indukcie, žiadne napätie neindukuje (obr.1-3). V tomto prípade je počas časovej zmeny magnetickej indukcie indukčný tok cievkou stále nulový, t. j. nenastáva jeho časová zmena. Pre vznik indukovaného elektromotorického napätia nie je teda rozhodujúca časová zmena magnetickej indukcie, ale časová zmena magnetického indukčného toku.

Platí to aj pre priamy vodič, ktorý sa pohybuje v stálom homogénnom magnetickom poli. Elektromotorické napätie sa vo vodiči indukuje, ak sa pohybuje tak, že pretína magnetické indukčné čiary. V tomto prípade je časová zmena magnetického indukčného toku daná časovou zmenou obsahu s plochou S opísanou vodičom.

Z pokusov je zrejmé, že indukované elektromotorické napätie (indukovaný prúd) vzniká pri časovej zmene magnetického indukčného toku, a to v týchto prípadoch:

Vo vodiči, ktorý sa pohybuje v časovo nepremennom magnetickom poli
V nepohybujúcom sa vodiči, ktorý je v časovo premennom magnetickom poli
Vo vodiči, ktorý sa pohybuje v časovo premennom magnetickom poli

Indukované elektromotorické napätie a indukovaný prúd vo vodiči vznikajú pôsobením sily na voľné nosiče náboja vo vodiči. V prvom prípade je to magnetická sila, ktorá pôsobí na voľné elektróny pohybujúce sa s vodičom v stálom magnetickom poli. V druhom prípade pôsobí na voľné elektróny v nepohybujúcom sa vodiči silou elektrické pole, ktoré vzniká vždy pri časovej zmene magnetického poľa. Toto elektrické pole sa nazýva indukované elektrické pole. Odlišuje sa od elektrostatického poľa tým, že jeho siločiary sa nezačínajú ani nekončia na elektrických nábojoch, ale sú to uzavreté krivky. Tento druh silového poľa sa volá aj vírové pole. V treťom prípade pôsobia na voľné elektróny v pohybujúcom sa vodiči súčasne oba druhy síl z predchádzajúcich dvoch prípadov.

Vznik indukovaného elektromotorického napätia a indukovaného prúdu sa volá jav elektromagnetickej indukcie alebo stručne elektromagnetická indukcia.

Elektromagnetickú indukciu objavil v roku 1831 Michael Faraday. Tento objav, ktorý patrí vo fyzike k najvýznamnejším, podstatne prispel k rozsiahlemu rozvoju elektrotechniky.

3.1. FARADAYOV ZÁKON ELEKTROMAGNETICKEJ INDUKCIE

Uvažujeme o homogénnom magnetickom poli s magnetickou indukciou B, ktorého indukčné čiary sú kolmé na nákresňu a orientované za nákresňu (obr.1-4). V rovine nákresne sú znázornené dva priame rovnobežné a nepohyblivé vodiče pripojené k voltmetru. Ich vzájomná vzdialenosť je l. Po týchto vodičoch sa v priečnej polohe pohybuje rýchlosťou v ďalší priamy vodič.

Pri opisovanom pokuse ukazuje voltmeter nenulovú výchylku, t. j. medzi bodmi M, N pohybujúceho sa vodiča je nenulové napätie, ktoré sa v ňom indukuje pri jeho pohybe v magnetickom poli. Zistíme, od čoho závisí veľkosť tohto indukovaného elektromotorického napätia.

Na každý voľný elektrón v uvažovanom pohybujúcom sa vodiči pôsobí magnetická sila Fm, ktorá je kolmá na v a na B a smeruje od bodu N k bodu M. Jej veľkosť je

Fm = v B sin90˚ = evB

Ekvivalentné silové účinky na voľné elektróny by malo homogénne elektrické pole s intenzitou Ei =, pre veľkosť ktorej by platilo

Ei = = vB

V tomto elektrickom poli by napätie medzi bodmi M, N, ktorých vzdialenosť je l, malo veľkosť Eil, ktorá sa rovná práve veľkosti elektromotorického napätia indukovaného na uvažovanom úseku vodiča s dĺžkou l:

= Eil = vBl

Zo vzťahu vyplýva, že veľkosť elektromotorického napätia indukovaného v priamom vodiči s dĺžkou l, ktorý je kolmý na indukčné čiary a pohybuje sa kolmo na ne aj na svoju pozdĺžnu os, lineárne závisí od veľkosti jeho rýchlosti v, od veľkosti magnetickej indukcie B a od jeho dĺžky l.

Vzťah vyjadríme v tvare

= Bl

kde je dráha, ktorú vodič prejde za dobu . Súčin sa rovná obsahu plochy opísanej vodičom za dobu a súčin B vyjadruje veľkosť zmeny magnetického indukčného toku za túto dobu. Dosadením do rovnice

= Bl dostaneme pre veľkosť indukovaného elektromotorického napätia vzťah = . Zmena indukovaného toku je kladná alebo záporná, podľa toho, či sa indukčný tok uvažovanou plochou S pri pohybe vodiča zväčšuje, alebo zmenšuje. Zvyčajne sa indukované elektromotorické napätie Ui berie ako kladné, ak je záporné a naopak. Platí preň vzťah

Ui = -

ktorý vyjadruje strednú hodnotu indukovaného elektromotorického napätia za veľmi krátku dobu .

Keď výraz má pre neobmedzene sa zmenšujúcu dobu istú medznú hodnotu

lim = , potom je okamžitá hodnota indukovaného elektromotorického

napätia daná vzťahom

Ui = -

Vzťahy Ui = - , prípadne Ui = - vyjadrujú Faradayov zákon elektromagnetickej indukcie: Indukované elektromotorické napätie sa rovná zápornej časovej zmene magnetického indukčného toku.

Jeho platnosť nie je obmedzená iba na opísaný prípad pohybu priameho vodiča v magnetickom poli. Platí všeobecne vo všetkých prípadoch elektromagnetickej indukcie.

V cievke sa indukuje elektromotorické napätie 1V pri rovnomernej zmene magnetického indukčného toku 1Wb za 1s.

4.1. ELEKTRICKÉ POLE

Aj takýto pojem zaviedol Michael Faraday. Vyskytuje sa okolo každého el. telesa. Je to akási forma hmoty.

Intenzita elektrického poľa E je určená podielom elektrickej sily Fe, ktorá pôsobí na elektrický náboj Q

E =

Intenzita elektrického poľa je vektorová veličina, jej smer je zhodný so smerom sily.

Jednotkou intenzity elektrického poľa je .

Elektrické pole, v ktorom je intenzita elektrického poľa konštantná, aj veľkosť aj smer vektora je konštantný, takéto pole sa nazýva homogénne a môžeme ho znázorniť siločiarami.

Siločiara je myslená čiara, ktorá v každom bode svojou dotyčnicou určuje smer vektora intenzity E. Ak sú siločiary rovnobežné hovoríme o homogénnom poli. Ak vektor intenzity elektrického poľa nie je konštantný hovoríme o nehomogénnom magnetickom poli.

4.2. MAGNETICKÉ POLE

Michael Faraday sa zaoberal aj týmto fyzikálnym javom.

Magnetické javy, podobne ako elektrické, poznajú ľudia už od staroveku. Ich vzájomná súvislosť však nebola dlho známa. Objavil ju v roku 1820 Hans Christian Oersted. Zistil, že magnetka umiestnená v blízkosti vodiča sa vychýli zo svojej rovnovážnej polohy, ak vodičom prechádza prúd. V tom istom roku objavil aj A. M. Ampére vzájomné silové pôsobenie medzi vodičmi, ktorými prechádza prúd. Týmito a ďalšími pokusmi bolo dokázané, že magnetickými silami na seba pôsobia nie len permanentné (trvalé) magnety, ale aj permanentné magnety a vodiče s prúdom, aj vodiče s prúdom navzájom. Tieto sily pôsobia prostredníctvom magnetického poľa, ktoré existuje v okolí vodičov s prúdom aj v okolí permanentných magnetov. Magnetické pole, ktorého zdrojom je nepohybujúci sa vodič s konštantným prúdom alebo nepohybujúci sa permanentný magnet, nazýva sa stacionárne magnetické pole.

Štúdiom magnetických javov sa zaoberali mnohí významní fyzici, ale až Faraday definoval tento pojem. Štúdium magnetických javov má význam nielen pri poznaní fyzikálnej podstaty týchto javov, ale aj pre ich využitie v technickej praxi.

Vzájomné silové pôsobenie vodičov s prúdom a magnetov

a) Keď priblížime tyčový magnet severným pólom k magnetke, pozorujeme, že sa magnetka otočí svojím južným pólom k severnému pólu magnetu (obr.1-5). Jav si vysvetľujeme tak, že v okolí permanentného magnetu je magnetické pole pôsobiace na magnetku magnetickými silami s nenulovým momentom, ktoré spôsobí jej otočenie. V magnetickom poli nepohybujúceho sa magnetu sa magnetka ustáli v stálej rovnovážnej polohe, v ktorej je výsledný moment magnetických síl nulový. Silové pôsobenie permanentných magnetov je vždy vzájomné. Preto aj v tomto pokuse pôsobí silami nielen permanentný magnet na magnetku, ale aj magnetka na použitý magnet.

b) Nad magnetkou vedieme priamy vodič v severo-južnom smere. Keď vodičom prechádza dostatočne veľký konštantný prúd, magnetka sa vychýli a ustáli sa v novej rovnovážnej polohe.

Z pokusu vyplýva, že aj v okolí vodičov s prúdom je magnetické pole.

Keďže elektrický prúd vo vodiči je usporiadaný pohyb častíc s elektrickým nábojom, z toho vyplýva, že pohybujúce sa častice s nábojom vzbudzujú vo svojom okolí magnetické pole. Platí to nielen pre voľné elektróny, ale pre akúkoľvek pohybujúcu sa časticu s nábojom.

Medzi magnetickým poľom vodičov s prúdom a magnetickým poľom permanentných magnetov nie je nijaký kvalitatívny rozdiel. Obidve polia sa môžu navzájom skladať, čo pre polia kvalitatívne rozličných druhov neplatí. Nemožno napríklad zoslabiť v danom mieste gravitačné pole poľom magnetickým alebo elektrickým.

c) Vieme, že magnetické pole vodiča s prúdom pôsobí silami na permanentný magnet (na magnetku). Pokusom ukážeme, že aj permanentný magnet pôsobí silou na vodič s prúdom. Do statívu zvisle upevníme tyčový magnet tak, aby stredná časť vodiča prechádzala nad horným koncom magnetu. Keď vodičom prechádza prúd, vychýli sa z rovnovážnej polohy vo vodorovnom smere, t. j. kolmo na pozdĺžnu os magnetu. Pri zmene smeru prúdu sa zmení výchylka na opačnú. Aj zámena pólov magnetu jeho otočením sa prejaví opačnou výchylkou vodiča. Výsledky týchto pokusov môžeme zhrnúť takto: Silové pôsobenie medzi permanentnými magnetmi a medzi permanentnými magnetmi a vodičmi s prúdom je vzájomné. Magnetické sily pôsobia prostredníctvom magnetického poľa, ktoré existuje v okolí permanentných magnetov a vodičov s prúdom. Hovoríme, že magnetické pole pôsobí magnetickými silami na permanentné magnety a na vodiče s prúdom.

ZÁVER

V dnešnej dobe sa čoraz menej ľudí zaoberá otázkami týkajúcimi sa fyziky a fyzikálnych zákonov. Naším cieľom v tejto práci bolo poukázať na významnú osobnosť dejín, ktorá prispela k rozvoju vedy a techniky.

Zaoberali sme sa otázkami vzniku elektromagnetickej indukcie, Faradayovým zákonom, ktorý objasňuje vznik elektromagnetickej indukcie, skúmali sme pojmy elektrické a magnetické pole, ktoré zaviedol do fyziky taký velikán, akým bol Michael Faraday.

S týmito pojmami sa stretávajú už žiaci na základných školách a získané vedomosti neskôr rozvíjajú na stredných školách. Študentom sa tieto zákony zdajú náročné, a preto našim prvoradým cieľom je naučiť žiaka správne chápať tieto fyzikálne javy a zákony, a názornou ukážkou, prípadne vysvetlením pokusu, objasniť ich použitie v praxi.

Výsledkom bude záujem o fyziku ako celku zo strany žiaka, študenta, ktorý sa možno v budúcnosti bude venovať tomuto odboru. Preto, už na základných školách, by sme mali pri vyučovaní používať také učebné metódy, ktoré žiaka zaujmú a neodradia od nového predmetu, ba naopak, budú podporovať záujem dieťaťa dozvedieť sa o danej problematike čo najviac.