Вращения Араго

Рис. 1. Вращающийся диск Араго.

Рис. 2.—Опыт Бабагга и Гершеля.

Рис. 3. Щелевые диски, использованные Бэббиджем и Гершелем.

Вращение Араго — это наблюдаемое магнитное явление, которое включает взаимодействие между намагниченной иглой и движущимся металлическим диском. Эффект был открыт Франсуа Араго в 1824 году. На момент открытия вращение Араго представляло собой удивительный эффект, который трудно было объяснить. В 1831 году Майкл Фарадей представил теорию электромагнитной индукции , которая подробно объяснила, как происходят эффекты.

История

Ранние наблюдения и публикации

Как это часто случалось в других областях науки, открытие магнитного вращения было сделано почти одновременно несколькими людьми, каждому из которых был присвоен приоритет. Около 1824 года, Гамбей. Знаменитый парижский приборостроитель сделал случайное наблюдение, что стрелка компаса, если ее поколебать и заставить колебаться вокруг своей оси, скорее придет в состояние покоя, если дно компасной коробки сделано из меди, чем если бы она была из дерева или другой материал. Барлоу и Марш, в Вулидже в то же время наблюдал эффект на магнитную стрелку от вращения по соседству с ней железной сферы. Араго астроном, который, как говорят, узнал об этом явлении от Гамби, но также говорят, что независимо открывший его в 1822 году, когда работал с Гумбольдтом над магнитными определениями, он, вне всякого сомнения, был первым, кто опубликовал отчет о наблюдении, который он сделал устно перед академией наук Парижской 22 ноября 1824 года. Он повесил иглу компаса в кольцах из разных материалов, отодвинул иглу в сторону примерно на 45° и подсчитал число колебаний, совершаемых иглой, прежде чем угол поворота уменьшился до 10°. В деревянном кольце их было 145, в тонком медном кольце — 66, а в толстом медном кольце — всего 33.

Магнетизм вращения

Эффект присутствия медной массы заключается в гашении колебаний иглы. Каждое колебание занимает то же время, что и раньше, но амплитуда уменьшена; движение затихло, как будто действовало какое-то невидимое трение. Араго заметил, что это свидетельствует о наличии силы, которая существовала только тогда, когда между магнитной иглой и массой меди существовало относительное движение. Он дал этому явлению название магнетизма вращения . В 1825 г. он опубликовал еще один эксперимент, в котором, исходя из принципа действия и противодействия, вызывал реакцию на неподвижной игле движением медного диска (рис. 1). Подвесив иглу компаса в стеклянной банке, закрытой снизу листом бумаги или стекла, он держал ее над вращающимся медным диском. Если последний вращается медленно, игла просто отклоняется от магнитного меридиана, стремясь повернуться в направлении вращения диска, как бы невидимо увлекаясь им. При более быстром вращении отклонение больше. Если вращение настолько быстрое, что игла поворачивается более чем на 90°, происходит непрерывное вращение. Однако Араго обнаружил, что эта сила не просто тангенциальная. Подвесив иглу вертикально к балке весов над вращающимся диском, он обнаружил, что она отталкивается при вращении диска. На шест, который висел ближе всего к диску, также действовали радиальные силы, стремившиеся, если полюс находился рядом с краем диска, вынудить его радиально наружу, но если полюс находился ближе к центру, стремясь вынудить его радиально внутрь.

Рис. 4. Машина с диском Фарадея

Пуассон , погруженный в представления Кулона о магнитном действии на расстоянии, попытался построить теорию магнетизма вращения, утверждая, что все тела приобретают временный магнетизм в присутствии магнита, но что у меди этот временный магнетизм занимает более длительное время. угаснуть. Напрасно Араго указывал, что теория не объясняет факты. Так называемый «магнетизм вращения» грозил стать навязчивой идеей.

Исследования явления другими учеными

На этом этапе явление исследовали несколько английских экспериментаторов: Бэббидж и Гершель , Кристи , а позднее Стерджен и Фарадей . Бэббидж и Гершель измерили величину тормозящей силы, действующей на иглу различными материалами, и обнаружили, что наиболее мощными являются серебро и медь (которые являются двумя лучшими проводниками электричества), после них золото и цинк, а свинец, ртуть и висмут. были очень слабы по мощности. В 1825 году они объявили об успешном отмене эксперимента Араго; поскольку, вращая магнит под вращающимся медным диском (рис. 2), они заставили 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 вращательную силу неразрезанного диска равной 100, то одна радиальная щель уменьшала ее до 88, две радиальные щели — до 77, четыре — до 48 и восемь — до 24. Ампер в 1826 году показал, что вращающийся медный диск также оказывает вращающий момент на соседнем медном проводе, по которому течет ток. Зеебек в Германии, Прево и Колладон в Швейцарии, Нобили и Бачелли в Италии подтвердили наблюдения английских экспериментаторов и дополнили другие. Стерджен показал, что демпфирующее действие магнитного полюса на движущийся медный диск уменьшается при наличии второго магнитного полюса противоположного типа, расположенного рядом с первым. Пять лет спустя он вернулся к этому предмету и пришел к выводу, что эффект был электрическим возмущением, «своего рода реакцией на то, что имеет место в электромагнетизме», когда была опубликована блестящая работа Фарадея по магнитоэлектрической индукции. в 1831 году, предвосхитил полное объяснение того, в поисках чего он находился. 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 взаимными силами, стремящимися уменьшить относительное движение, то есть стремящимися к уменьшению относительного движения. перетащите неподвижную часть (будь то магнит или диск) в направлении движущейся части, всегда стремясь противодействовать движению движущейся части. Фактически, токи вращаются в движущемся диске, если только они не сдерживаются скользящими контактами.

Эксперименты с вихревыми токами Фарадея и Маттеучи.

Именно этого и добился Фарадей, когда вставил свой медный диск ребром (рис. 4) между полюсами мощного магнита и закрутил его, при этом к краю и оси были прижаты пружинные контакты для отвода токов. Электродвижущая сила, действующая под прямым углом к ​​движению и линиям магнитного поля, создает токи, текущие по радиусу диска. Если внешний путь не предусмотрен, токи должны найти себе внутренние пути возврата в металле диска.

На рис. 5 показан способ установки пары вихрей в диске, вращающемся между полюсами магнита. Эти вихри расположены симметрично по обе стороны от радиуса максимальной электродвижущей силы (рис. 6).

Направление циркуляции вихревых токов всегда таково, что оно стремится противодействовать относительному движению. Вихревой ток в отходящей от полюсов части стремится притянуть полюса вперед или утащить эту часть диска назад. Вихревой ток в части, приближающейся к полюсам, имеет тенденцию отталкивать эти полюса и отталкиваться 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 и не уменьшит электродвижущую силу. В исследованиях Стерджена Описан ряд экспериментов по выяснению направлений течения вихревых токов в дисках. Аналогичные, но более полные исследования провел Маттеучи . Индукция во вращающихся сферах была математически исследована Йохманом, а затем Герцем .

Фарадей показал несколько интересных экспериментов с вихревыми токами. Среди прочего он подвесил на витой нити куб меди по прямой между полюсами мощного электромагнита (рис. 7). Прежде чем включился ток, куб под своим весом раскрутил шнур и быстро закрутился. При возбуждении магнита включением тока куб мгновенно останавливается; но начинает снова вращаться, как только ток прерывается. Маттеуччи изменил этот эксперимент, построив куб из квадратных кусочков листовой меди, отделенных друг от друга бумагой. Этот слоистый куб (рис. 8), если его подвешивать в магнитном поле за крюк а так, чтобы его пластинки были параллельны линиям магнитного поля, не мог быть остановлен во вращении внезапным включением тока в электромагнит; тогда как, если его подвешивать за крюк b так, чтобы его пластинки находились в вертикальной плоскости, а затем приводить во вращение, он сразу же останавливался при возбуждении электромагнита. Только в последнем случае могли циркулировать вихревые токи; поскольку им требуются пути в плоскостях, перпендикулярных магнитным линиям.

Рис. 5.—Вихревые токи во вращающемся диске

Рис. 6.—Пути вихревых токов

После того, как Фарадей объяснил вращение Араго просто вызванным вихревыми токами, особый интерес, который они вызывали, хотя их причина была неизвестна, по-видимому, почти угас. Правда, через несколько лет некоторый интерес возобновился, когда Фуко показал, что можно нагревать металлический диск, если, несмотря на сопротивление, принудительно продолжать вращение в магнитном поле. Почему это наблюдение привело к тому, что вихревые токи, открытые Фарадеем для объяснения явления Араго, были названы токами Фуко, неясно. Если кто-то и удостоен чести назвать вихревые токи своим именем, то это, очевидно, Фарадей или Араго, а не Фуко. Чуть позже Ле Ру обнаружил парадокс: медный диск, вращающийся между концентрическими полюсами магнита, при этом не нагревается и не испытывает никакого сопротивления. Объяснение этому следующее. Если перед одной стороной диска находится кольцевой северный полюс, а перед другой стороной — кольцевой южный полюс, хотя магнитное поле создается прямо через диск, вихревые токи отсутствуют. Ибо если вокруг диска действуют равные электродвижущие силы, направленные радиально внутрь или радиально наружу, то не будет обратного пути для токов по любому радиусу диска. Периферия просто возьмет немного другой потенциал от центра; но никакие токи не будут течь, потому что электродвижущие силы вокруг любого замкнутого пути в диске уравновешены.

Эксперименты с медной пластиной других ученых

В 1884 году Уиллоуби Смит опубликовал исследование вращающихся металлических дисков, в ходе которого он обнаружил, что железные диски генерируют электродвижущую силу, превосходящую те, которые генерируются медными дисками того же размера.

Гатри и мальчики в 1879 году повесил медную пластину на вращающийся магнит с помощью крученой нити и обнаружил, что кручение прямо пропорционально скорости вращения. Они отметили, что такой прибор очень точен для измерения скорости машин. Они также проводили эксперименты по изменению расстояния между медной пластиной и магнитом, а также диаметра и толщины медного диска.

Были проведены эксперименты с различными металлами, и было обнаружено, что крутящий момент изменяется в зависимости от проводимости металла, насколько можно было судить после прокатки в форме пластины. Затем господа Гатри и Бойс применили этот метод к измерению проводимости жидкостей.

В 1880 году Де Фонвьель и Лонтен заметили, что слегка вращающийся медный диск можно поддерживать в непрерывном вращении — если он однажды был запущен — если его поместить в присутствии магнита внутри катушки из медной проволоки, намотанной на прямоугольный каркас (как катушка старого гальванометра) и питается переменным током от обычной индукционной катушки Румкорфа . Свой прибор они назвали электромагнитным гироскопом.

Кажется, никому не приходило в голову, что вращение Араго можно было использовать в конструкции двигателя до 1879 года.

Краткое описание вращений Араго

Магнитная стрелка свободно подвешивается на стержне или веревке на небольшом расстоянии над медным диском. Если диск неподвижен, игла выравнивается по магнитному полю 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.)

Рис. 7. — Кубик меди в мощном электромагните.

Рис. 8.—Слоистый куб в магнитном поле

Вариации:

• Если диск свободно вращается с минимальным трением, а игла вращается над или под ним, диск вращается в том же направлении, что и игла. (Это легче наблюдать или измерять, если игла представляет собой магнит большего размера.)
• Если игле не дать вращаться, ее присутствие замедляет вращение диска. (Это легче наблюдать или измерять, если игла представляет собой магнит большего размера.)
• Другие немагнитные материалы, обладающие электропроводностью (цветные металлы, такие как серебро, алюминий или цинк), также производят этот эффект.
• Непроводящие немагнитные материалы (дерево, стекло, пластик, лед и т. д.) эффекта не дают.

Относительное движение проводника и магнита вызывает вихревые токи в проводнике, которые создают силу или крутящий момент, которые противодействуют относительному движению или сопротивляются ему или пытаются «соединить» объекты. Та же сила сопротивления используется при вихретоковом торможении и магнитном демпфировании .

См. также

• диск Фарадея
• Асинхронный двигатель
• История электромагнитной теории

Дальнейшее чтение

• Уолтер Бейли, Способ создания вращения Араго . 28 июня 1879 г. (Философский журнал: журнал теоретической, экспериментальной и прикладной физики. Тейлор и Фрэнсис, 1879 г.)
• Сильванус Филлипс Томпсон, Многофазные электрические токи и двигатели переменного тока . 1895.

Ссылки

В эту статью включен текст из этого источника, который находится в свободном доступе : Многофазные электрические токи и двигатели переменного тока . Лондон, Спонн и Чемберлен. 1895.

Внешние ссылки

• Ротации Араго (видео на YouTube)