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가장 중요한 과학적 발견
전자기 유도. 과학적 발견의 역사와 본질
발견 후 에르스텟 и 암페어 전기에는 자기력이 있다는 것이 분명해졌습니다. 이제 자기 현상이 전기 현상에 미치는 영향을 확인해야 했습니다. 이 문제는 Faraday에 의해 훌륭하게 해결되었습니다. 마이클 패러데이 (1791-1867)는 런던에서 가장 가난한 지역 중 하나인 런던에서 태어났습니다. 그의 아버지는 대장장이였고 그의 어머니는 소작농의 딸이었다. 패러데이는 취학 연령이 되자 초등학교에 보내졌다. 여기서 패러데이가 수강한 과정은 매우 좁았고 읽기, 쓰기 및 계산의 시작을 가르치는 데만 국한되었습니다. 패러데이 가족이 살던 집에서 몇 걸음 떨어진 곳에 책방이 있었는데 그 곳도 제본업이었다. 이것은 Faraday가 초등학교 과정을 마친 후 직업 선택에 대한 질문이 생겼을 때 도착한 곳입니다. 당시 마이클의 나이는 겨우 13세였습니다. 패러데이가 독학을 막 시작한 젊었을 때 이미 그는 사실에만 의존하고 자신의 경험으로 다른 사람들의 보고서를 확인하려고 노력했습니다. 이러한 열망은 그의 과학 활동의 주요 특징으로서 평생 동안 그를 지배했습니다. 패러데이는 물리학과 화학을 처음 알게 된 소년 시절부터 물리 및 화학 실험을 시작했습니다. 마이클은 위대한 영국 물리학자 험프리 데이비의 강의 중 하나에 참석했습니다. 패러데이는 강의를 자세히 메모해 묶어서 데이비에게 보냈다. 그는 너무 감명을 받아 패러데이에게 비서로 함께 일하자고 제안했습니다. 곧 Davy는 유럽으로 여행을 가서 패러데이를 데려갔습니다. XNUMX년 동안 그들은 유럽에서 가장 큰 대학을 방문했습니다. 1815년에 런던으로 돌아온 패러데이는 런던 왕립 연구소의 한 연구실에서 조수로 일하기 시작했습니다. 당시 이곳은 세계 최고의 물리학 연구소 중 하나였으며 1816년부터 1818년까지 패러데이는 화학에 관한 많은 작은 메모와 작은 회고록을 출판했습니다. 물리학에 대한 패러데이의 첫 번째 연구는 1818년으로 거슬러 올라갑니다. 그의 전임자들의 경험을 바탕으로 자신의 경험 몇 가지를 결합하여 1821년 XNUMX월까지 Michael은 "전자기의 성공 사례"를 인쇄했습니다. 그 당시 이미 그는 전류의 작용에 따라 자침의 편향 현상의 본질에 대한 완전히 올바른 개념을 구성했습니다. 이러한 성공을 이룩한 패러데이는 전기 분야에서 XNUMX년 동안 학업을 중단하고 다른 종류의 여러 주제에 대한 연구에 전념했습니다. 1823년 패러데이는 물리학 분야에서 가장 중요한 발견 중 하나를 달성했습니다. 그는 처음으로 기체의 액화를 달성했으며 동시에 기체를 액체로 변환하는 간단하지만 유효한 방법을 확립했습니다. 1824년에 패러데이는 물리학 분야에서 몇 가지 발견을 했습니다. 무엇보다도 그는 빛이 유리의 색상에 영향을 미치고 그것을 변화시킨다는 사실을 확립했습니다. 이듬해 패러데이는 다시 물리학에서 화학으로 방향을 전환하고 이 분야에서 그의 연구 결과는 가솔린과 황산 나프탈렌산의 발견입니다. 1831년에 패러데이는 "크로모트로프(chromotrope)"라고 불리는 아름답고 흥미로운 광학 발사체의 기초가 된 특별한 종류의 착시(On Special Kind of Optical Illusion)라는 논문을 출판했습니다. 같은 해에 과학자 "진동판에 관하여"의 또 다른 논문이 출판되었습니다. 이러한 작품 중 상당수는 그 자체로 작가의 이름을 영원히 남길 수 있습니다. 그러나 Faraday의 과학 연구 중 가장 중요한 것은 전자기 및 전기 유도 분야에서의 그의 연구입니다. 엄밀히 말해서 전자기 현상과 유도 전기 현상을 다루는 물리학의 중요한 분야이자 현재 기술 분야에서 매우 중요한 분야는 패러데이가 무(無)에서 창조한 것입니다. 패러데이가 마침내 전기 분야의 연구에 전념했을 때, 일반적인 조건에서 전기화된 물체의 존재는 그 영향이 다른 물체에 전기를 들뜨게 하기에 충분하다는 것이 확립되었습니다. 동시에 전류가 통하는 전선이자 대전체이기도 한 전선은 근처에 있는 다른 전선에는 영향을 미치지 않는 것으로 알려졌다. 이 예외의 원인은 무엇입니까? 이것은 Faraday의 관심을 끌었던 질문이며 그 해결책으로 인해 유도 전기 분야에서 가장 중요한 발견이 이루어졌습니다. 평소와 같이 Faraday는 문제의 본질을 명확히하기 위해 일련의 실험을 시작했습니다. 패러데이는 동일한 나무 밀방망이에 두 개의 절연 전선을 서로 평행하게 감았습니다. 그는 한 와이어의 끝을 120개의 요소로 구성된 배터리에 연결하고 다른 와이어의 끝을 민감한 검류계에 연결했습니다. 전류가 첫 번째 와이어를 통과했을 때 Faraday는 검류계에 모든 관심을 돌렸고 진동에서 두 번째 와이어에 전류가 나타날 것으로 예상했습니다. 그러나 그런 것은 없었습니다. 검류계는 침착했습니다. Faraday는 전류를 증가시키기로 결정하고 회로에 XNUMX개의 갈바니 전지를 도입했습니다. 결과는 동일합니다. 패러데이는 이 실험을 수십 번 반복했지만 모두 같은 성공을 거두었습니다. 그의 자리에 있는 다른 사람은 와이어를 통과하는 전류가 인접한 와이어에 영향을 미치지 않는다고 확신하고 실험을 떠났을 것입니다. 그러나 Faraday는 항상 자신의 실험과 관찰에서 그들이 줄 수있는 모든 것을 추출하려고 노력했기 때문에 검류계에 연결된 전선에 직접적인 영향을 미치지 않고 부작용을 찾기 시작했습니다. 그는 전류가 흐르는 동안 완벽하게 정지 상태를 유지하는 검류계가 회로가 닫힐 때와 열릴 때 진동한다는 것을 즉시 알아차렸습니다. 전류가 첫 번째 와이어로 전달되는 순간과 이 전송이 중지될 때 두 번째 와이어에도 전류가 여기된다는 것이 밝혀졌습니다. 첫 번째 경우에는 첫 번째 전류와 반대 방향이며 두 번째 경우와 동일하며 한 순간만 지속됩니다. XNUMX차 전류의 영향으로 발생하는 이러한 XNUMX차 순간 전류는 패러데이에 의해 유도성이라고 불렸으며 이 이름은 지금까지 보존되어 왔습니다. 패러데이가 독창적인 장치(스위치)를 사용하여 배터리에서 오는 기본 전류를 지속적으로 차단하고 다시 전도하는 방법을 찾지 못했다면 유도 전류는 순간적으로 나타나자마자 사라지므로 실질적인 의미가 없을 것입니다. 첫 번째 와이어로 인해 두 번째 와이어가 점점 더 많은 유도 전류에 의해 지속적으로 여기되어 일정해집니다. 따라서 이전에 알려진 것 (마찰 및 화학 공정), 유도 및이 에너지의 새로운 유형 인 유도 전기 외에도 새로운 전기 에너지 원이 발견되었습니다. 그의 실험을 계속하면서, Faraday는 더 나아가 갈바닉 전류가 흐르는 다른 와이어에 대해 폐곡선으로 꼬인 와이어의 간단한 근사화가 중성 와이어에서 갈바니 전류의 반대 방향으로 유도 전류를 여기하기에 충분하다는 것을 발견했습니다. 중성선을 제거하면 그 안에 있는 유도 전류가 다시 여기됩니다. 전류는 이미 고정 전선을 따라 흐르는 갈바니 전류와 같은 방향이며, 마지막으로 이러한 유도 전류는 접근 및 제거 중에만 여기됩니다. 갈바니 전류의 도체에 와이어를 연결하고 이러한 움직임이 없으면 와이어가 서로 얼마나 가깝더라도 전류가 여기되지 않습니다. 따라서 앞서 설명한 갈바닉 전류의 폐쇄 및 종료 시 유도 현상과 유사한 새로운 현상이 발견되었습니다. 이러한 발견은 차례로 새로운 발견을 낳았습니다. 갈바닉 전류를 닫았다가 정지시켜 유도 전류를 생성할 수 있다면 철의 자화와 감자에서도 같은 결과가 나오지 않을까요? Oersted와 Ampère의 작업은 이미 자기와 전기 사이의 관계를 확립했습니다. 철에 절연선을 감고 갈바닉 전류를 흘려주면 철이 자석이 되고, 이 철의 자기적 성질은 전류가 멈추면 곧 멈추는 것으로 알려져 있었다. 이를 바탕으로 Faraday는 이런 종류의 실험을 내놓았습니다. 두 개의 절연 전선을 철 고리에 감았습니다. 또한 하나의 와이어는 링의 절반에 감겨 있고 다른 와이어는 다른 하나에 감겨 있습니다. 갈바닉 배터리의 전류가 한 전선을 통과하고 다른 전선의 끝은 검류계에 연결되었습니다. 따라서 전류가 닫히거나 멈췄을 때, 결과적으로 철 고리가 자화되거나 감자되었을 때 검류계 바늘이 빠르게 진동한 다음 빠르게 멈췄습니다. 즉, 모든 동일한 순간 유도 전류가 중성선에서 여기되었습니다. 시간: 이미 자기의 영향을 받고 있습니다. 따라서 여기에서 처음으로 자기가 전기로 변환되었습니다. 이러한 결과를 얻은 Faraday는 실험을 다양화하기로 결정했습니다. 쇠고리 대신에 쇠고리를 사용하기 시작했다. 갈바닉 전류로 철에 자기를 자극하는 대신 영구 강철 자석에 접촉시켜 철을 자화했습니다. 결과는 동일했습니다. 철을 감은 와이어에서 철의 자화 및 자기 소거 순간에 전류가 항상 여기되었습니다. 그런 다음 Faraday는 와이어 나선형에 강철 자석을 도입했습니다. 후자의 접근 및 제거로 인해 와이어에 유도 전류가 발생했습니다. 한마디로 유도 전류의 여기라는 의미에서 자기는 갈바닉 전류와 정확히 같은 방식으로 작용했습니다. 그 당시 물리학자들은 1824년 Arago가 발견한 하나의 불가사의한 현상에 몰두하고 있었지만 설명을 찾지 못했습니다. 이 설명은 Arago 자신, Ampère, Poisson, Babaj 및 Herschel과 같은 당대의 저명한 과학자들에 의해 집중적으로 추구되었습니다. 문제는 다음과 같았습니다. 자유롭게 매달려 있는 자기 바늘은 비자성 금속 원을 그 아래로 가져오면 빠르게 멈춥니다. 원이 회전하면 자기 바늘이 따라 움직이기 시작합니다. 고요한 상태에서는 원과 화살 사이에 미세한 끌림이나 반발력을 발견할 수 없었고, 움직이고 있던 같은 원은 그 뒤에서 가벼운 화살뿐만 아니라 무거운 자석도 끌어당겼다. 이 참으로 기적적인 현상은 당시 과학자들에게 자연을 초월한 신비한 수수께끼처럼 보였습니다. 패러데이는 위의 데이터를 기반으로 자석의 영향을 받는 비자성 금속 원이 회전하는 동안 자기 바늘에 영향을 미치고 자석 뒤에 끌어당기는 유도 전류에 의해 순환된다고 가정했습니다. 실제로, 큰 말굽 모양 자석의 극 사이에 원의 가장자리를 도입하고 원의 중심과 가장자리를 검류계로 와이어로 연결함으로써 패러데이는 원의 회전 중에 일정한 전류를 받았습니다. 그 후, 패러데이는 일반적인 호기심을 불러일으키는 또 다른 현상에 정착했습니다. 아시다시피 철가루를 자석에 뿌리면 자석 곡선이라고 하는 특정 선을 따라 그룹화됩니다. 이 현상에 주목한 패러데이는 1831년에 자기 곡선에 "자기력선"이라는 이름을 붙였고, 그 후 일반적으로 사용되었습니다. 이 "라인"에 대한 연구는 패러데이를 새로운 발견으로 이끌었고 유도 전류의 여기를 위해 자극에서 소스를 접근하고 제거할 필요가 없다는 것이 밝혀졌습니다. 전류를 여기시키려면 알려진 방식으로 자기력선을 가로지르면 충분합니다. 언급 된 방향에서 Faraday의 추가 작업은 현대적인 관점에서 완전히 기적적인 성격을 얻었습니다. 1832년 초에 그는 자석이나 갈바니 전류의 도움 없이 유도 전류가 여기되는 장치를 시연했습니다. 장치는 와이어 코일에 배치된 철 스트립으로 구성되었습니다. 이 장치는 일반적인 조건에서 전류가 나타나는 징후를 조금도 나타내지 않았습니다. 그러나 그에게 자기 바늘의 방향에 해당하는 방향이 주어지자마자 전류가 도선에 여기되었습니다. 그런 다음 Faraday는 하나의 코일에 자기 바늘의 위치를 준 다음 쇠 스트립을 삽입했습니다. 전류가 다시 여기되었습니다. 이러한 경우에 전류가 발생하는 이유는 일반 자석이나 갈바닉 전류와 같은 유도 전류를 발생시키는 지자기 때문입니다. 이를 보다 명확하게 보여주고 증명하기 위해 패러데이는 자신의 아이디어를 완전히 확인하는 또 다른 실험을 했습니다. 그는 비자성 금속, 예를 들어 구리가 이웃 자석의 자기력선과 교차하는 위치에서 회전하는 원이 유도 전류를 제공하면 동일한 원이 없는 상태에서 회전한다고 추론했습니다. 자석이지만 원이 지구 자기선과 교차하는 위치에서 유도 전류도 주어야 합니다. 그리고 실제로 수평면에서 회전하는 구리 원은 유도 전류를 제공하여 검류계 바늘의 눈에 띄는 편차를 생성했습니다. 전기 유도 패러데이 분야의 많은 연구는 1835년에 "전류가 스스로에 미치는 유도 효과"의 발견으로 끝이 났습니다. 그는 갈바닉 전류가 닫히거나 열리면 순간 유도 전류가 이 전류의 도체 역할을 하는 와이어 자체에서 여기된다는 것을 발견했습니다. 러시아 물리학자 에밀 크리스토포로비치 렌츠 (1804-1861)은 유도 전류의 방향을 결정하는 규칙을 제시했습니다. A.A. Korobko-Stefanov는 전자기 유도에 관한 그의 기사에서 "유도 전류는 자기장이 생성하는 자기장이 유도를 유발하는 움직임을 방해하거나 느리게 하는 방식으로 항상 유도됩니다. 예를 들어 코일이 자석에 접근할 때 , 결과 유도 전류는 자기장이 자석의 자기장과 반대 방향이 되도록 방향을 갖습니다. 결과적으로 코일과 자석 사이에 반발력이 발생합니다. 렌츠의 법칙은 에너지 보존과 변환의 법칙을 따릅니다. 유도 전류가 원인이 된 움직임을 가속화하면 무에서 작업이 생성됩니다. 코일 자체는 조금만 밀면 자석 쪽으로 돌진하고 동시에 유도 전류가 내부에서 열을 방출합니다. 실제로는 자석과 코일을 더 가깝게 하는 작업으로 인해 유도 전류가 생성됩니다. 왜 유도 전류가 있습니까? 전자기 유도 현상에 대한 깊은 설명은 영국 물리학자에 의해 이루어졌습니다. 제임스 클러크 맥스웰 - 전자기장의 완전한 수학적 이론의 창시자. 문제의 본질을 더 잘 이해하려면 매우 간단한 실험을 고려하십시오. 코일을 한 권선의 와이어로 구성하고 권선면에 수직인 교류 자기장에 의해 관통되도록 합니다. 물론 코일에는 유도 전류가 있습니다. 맥스웰은 이 실험을 남다른 용기와 의외성으로 해석했다. Maxwell에 따르면 자기장이 공간에서 변할 때 와이어 코일의 존재가 중요하지 않은 프로세스가 발생합니다. 여기서 가장 중요한 것은 변화하는 자기장을 덮는 전기장의 닫힌 링 라인이 나타나는 것입니다. 떠오르는 전기장의 작용으로 전자가 움직이기 시작하고 코일에 전류가 발생합니다. 코일은 전기장을 감지할 수 있게 해주는 장치일 뿐입니다. 전자기 유도 현상의 본질은 교류 자기장이 항상 주변 공간에서 닫힌 힘선으로 전기장을 생성한다는 것입니다. 이러한 필드를 소용돌이 필드라고 합니다. 지상 자기에 의해 생성된 유도 분야의 연구를 통해 Faraday는 1832년에 전신의 아이디어를 표현할 기회를 얻었고, 이것이 이 발명의 기초가 되었습니다. 일반적으로 전자기 유도의 발견은 XNUMX세기의 가장 뛰어난 발견에 기인한 이유가 없는 것은 아닙니다. 전 세계 수백만 개의 전기 모터 및 전류 생성기의 작업은 이 현상을 기반으로 합니다 ... 저자: Samin D.K.
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