Принцип непрерывности магнитного потока. Опыты Фарадея

Фарадею принадлежит заслуга установления очень важного принципа, соблюдающегося во всех случаях существования магнит­ного потока. Это — принцип замкнутости или непрерывности магнит­ных линий, непрерывности магнитного потока.

Всегда, когда мы имеем дело с магнитным потоком, каждая магнитная линия, его составляющая, и весь поток в целом пред-

ставляют собой замкнутый контур. В ряде случаев, когда магнитное

поле создается в воздухе или, вообще говоря, в среде, доступной наблюдению, мы легко можем убедиться в справедливости этого положения. Например, если мы имеем проводник с током (на рис.5 он взят перпендикулярным к плоскости чер­тежа), мы можем непосредственно убедиться, что магнитные линии представляют собою концентрические окружности с центром, лежащим на оси проводника.

Сложнее об­стоит дело в случае потока, связанного с те­лами, внутрь которых мы проникнуть не можем, например в случае потока, проходя­щего через железо, или потока, связанного с постоянным магнитом. Утверждать что-либо a priori мы не можем и должны по­этому подвергнуть поток внутри железа спе­циальному обследованию. Фарадей первый это сделал. Хотя опыты его, сюда относящиеся, не кажутся теперь вполне убедительными, хотя мы теперь несколько иначе доказываем принцип непрерывности магнитного потока, но тем не менее будет чрезвычайно поучительно познакомиться с ходом мыслей Фарадея, этого величайшего эксперимен­татора, с его подходом к исследованию данного вопроса.

Первые опыты Фарадея, положенные в основу формулированного им принципа замкнутости магнитного потока, относятся к 1832 году. Позднее, лет через 20, он еще раз вер­нулся к этому вопросу и тогда окончательно сфор­мулировал указанный прин­цип.

В этих опытах Фарадея, схематически здесь описанных, наиболее ярко выявляется сущность его идеи. Фарадей брал по­стоянный магнит цилинд­рической формы (цилинд­рической, чтобы при вращении магнита вокруг оси сохранялась геометрическая форма составленного им контура, в то время как вещество перемещалось бы). Над этим магнитом (рис. 6) он поместил диск D (из проводящего материала), к периферии которого прилегала щеточка. Другая ще-

точка касалась оси диска.

В цепь между щетками был включен гальванометр G. Фарадей прежде всего вращал один диск над не­подвижным магнитом. При этом гальванометр давал отклонения, зависящие от скорости вращения диска; при перемене направления вращения показание гальванометра меняло свой знак. После этого Фарадей повторил свой опыт в следующем виде: он склеил диск с магнитом (посредством непроводящего материала) и стал вра­щать всю систему, как одно целое. К большому своему удивлению, он получил тот же эффект: при той же скорости вращения гальванометр давал то же откло­нение; опыт приводил к за­ключению, что возникно­вение ЭДС в данном слу­чае не зависит от того, вращается ли диск относительно магнита или нет.

Для более точной про­верки полученного резуль­тата Фарадей решил по­вторить опыт, более полно утилизируя магнитный по­ток. Фарадей разнообразил обстановку опыта всевоз­можными способами. По существу дело можно све­сти к тому опыту, в кото­ром он заменил диск металлическим стаканом. Расположение опыта по­казано схематически на рис. 7.

При вращении стакана С вокруг неподвижного магнита ЭДС должна была возникать за счет пересечения магнитных линий ра­диусами дна стакана и образующими цилиндрической его части, в результате чего в цепи гальванометра должен получаться элек­трический ток. И в данном случае, при склеивании Стакана с маг­нитом и вращении всей системы, величина и направление отклоне­ния гальванометра получались те же самые, как если бы магнит был неподвижен, а стакан вращался один.

Если действительно все происходит в количественном и качествен­ном отношении одинаково независимо от того, вращается ли стакан относительно магнита или нет, то естественно, кажется, сделать заключение, которое и сделал Фарадей, а именно, что при вращении магнита вокруг его геометрической оси магнитный поток остается в пространстве неподвижным, как бы будучи в отношении ориенти­ровки связанным с некоторыми неподвижными мировыми координат­ными осями, а не вращается вместе с магнитом.

Возникает вопрос: если магнитный поток остается в простран­стве неподвижным и если этот магнитный поток существует и внутри магнита, то элементы вращающегося магнита тоже режут магнитные линии, и, следовательно, в этих элементах должна индуктироваться ЭДС. Для проверки этого заключения Фарадей проделал третью серию опытов. В этих опытах он вращал только магнит, введенный

Возникает вопрос: если магнитный поток остается в простран­стве неподвижным и если этот магнитный поток существует и внутри магнита, то элементы вращающегося магнита тоже режут магнитные линии, и, следовательно, в этих элементах должна индуктироваться ЭДС. Для проверки этого заключения Фарадей проделал третью серию опытов. В этих опытах он вращал только магнит, введенный в цепь при помощи двух кон­тактов: одного — у поверхно­сти магнита в нейтральной его зоне, другого — в цент­ральной точке на оси магнита, как показано на рис. 8.

При вращении магнита получалось то же, что и в предыдущем опыте при вращении стакана. Этот результат можно объ­яснить только предположе­нием, что число магнитных линий, пересекаемых за один полный оборот, осталось прежним, что, в свою оче­редь, возможно, по Фарадею, только в том случае, если все магнитные линии замы­каются внутри, тела маг­нита. В самом деле, схема­тизируя путь тока внутри магнита, можно себе представить, что вся действующая в данном случае ЭДС определяется пересечением магнитных линий радиальным эле­ментом тела магнита, лежащим под щеткой (не трудно убедиться, что, предполагая путь тока иным, мы получим тот же результат).

Таким образом, в результате своих опытов Фарадей пришел к заключению, что все магнитные линии, исходящие из север­ного полюса постоянного магнита и входящие в южный полюс, замыкаются внутри тела магнита, что и сформулировал сле­дующим образом:

„Внутри магнита существуют (физические) силовые линии той же природы, как и вне его. Даже более того, количество внутрен­них линий строго равняется количеству внешних. Направление вну­тренних линий связано с направлением внешних, и, собственно го­воря, внутренние линии составляют, продолжение внешних, имея совершенно ту же природу, насколько это можно исследовать опы­том. Поэтому каждая (физическая) силовая линия, на каком бы рас­стоянии от магнита мы ее не взяли, должна быть рассматриваема, как замкнутый контур, проходящий некоторою своею частью через магнит и имеющий одинаковую активность в каждом месте на своем протяжении".