Электромагниты Джозефа Генри
Знаменит Джозеф Генри (Joseph Henry) прежде всего тем, что, увлекшись «тайнами» электромагнетизма, стал создателем уникальных мощнейших электромагнитов с фантастической подъемной силой — от 30 до 1500 кг при собственном весе магнита 10 кг. Один из его электромагнитов, созданный в 1831 году, способный поднять 1000 кг сейчас он хранится в Смитсоновском институте в Вашингтоне.
В целом же, Джозеф Генри был очень разносторонним ученым и интересны ему были не только мощные электромагниты. Я думаю, что многим читателям блога будет интересно познакомится с биографией этого неординарного человека
Джозеф Генри родился в Олбени (штат Нью-Йорк). В детстве Джозеф Генри вовсе и не собирался становится физиком-изобретателем. После окончания школы в Галвее он учился в вечерней Академии в Олбени, собираясь стать врачом, но у него обнаружился талант экспериментатора, и, занимаясь в Академии, он ассистировал при проведении химических опытов. Во время летних каникул он работал на строительстве дороги между Кингстоном и Лейк Эри. В 1826 г. Генри был назначен инструктором математики и естественных наук в Академии в Олбени и вскоре начал проводить эксперименты с электромагнитами.
Результаты опытов он подытожил в работе «Некоторые модификации электромагнитного прибора», которую прочитал в Олбенской академии в 1827 г., заслужив репутацию выдающегося экспериментатора. Шелком от свадебного платья своей жены он изолировал электрический проводник, намотав его в несколько слоев и основательно повысив тем самым силу электромагнита, придав ему общеизвестную ныне конфигурацию.
После упорного труда ему удалось в 1830 г., используя один длинный и несколько коротких проводников, определить оптимальные размеры магнита и батареи, необходимые для получения максимального эффекта. Это была первая демонстрация теории Ома о необходимости включения соответствующих сопротивлений в отдельных частях электрического контура.
Его параллельно подключенные магниты вызвали очень большой интерес. Самый сильный из них удержал массу в 3500 фунтов (приблизительно 1575 кг). В 1831 г. Генри протянул проволоку длиной в 1 милю (1609,3 м) вокруг своей аудитории, и, когда он использовал сильный магнит и подходящую батарею, звонок на другом конце проводника зазвонил. Это была первая демонстрация телеграфа со слышимым сигналом.
В этом же году он сконструировал модель электродвигателя с качающимся движением «электромагнита-коромысла», совершавшего 75 равномерных качаний в минуту. И хотя его движение было скорее возвратным, чем вращательным, он все таки решал проблему превращения электрической энергии в механическую.
Один из первых электромагнитов созданных Джозефом Генри в 1831 г.
Открытие явления взаимной индукции независимо друг от друга приписывается Генри и Майклу Фарадею, но Генри был безответственно нетороплив при опубликовании результатов экспериментов, и Фарадей первым сообщил о своем успехе. Наконец, приоритет открытия взаимной индукции был отдан Фарадею, а Генри — открытие явления самоиндукции, которое он описал в той же самой статье, что и явление индукции,— в 1832 г.
В 1832 г., будучи уже признанным ученым, Генри был приглашен на должность профессора естественных наук в колледж в Нью-Джерси (сейчас Принстонский университет), где он продолжил свои исследования электромагнетизма. Генри первым обнаружил колебательный характер искрового разряда конденсатора, что по достоинству было оценено лишь полвека спустя при зарождении электросвязи и радиотехники. В лекциях для Американского философского общества он сообщил об изобретении электрического реле, неиндукционной обмотки и о возможности при соответствующем выборе витков повышать или снижать напряжение, что и явилось основой для создания трансформатора, т. е. открытия и изобретения сделанные Джозефом Генри лежат в основе работы абсолютного большинства электротехнический устройств
Позже он описал изменение индуктивности между отдельными витками, воздействие индуктивности на расстоянии и колебательный характер электрического разряда лейденской банки — совокупность открытий, которые были жизненно важны для возникновения радиотелеграфии и радиовещания.
Интересно, что уже в 1835г. в своей лаборатории Генри продемонстрировал первый электрический телеграф. Он передал по проводам сообщение в соседнее здание. Но опять Генри, как и в случае с Фарадеем, подвела скромность. Он не опубликовал свои результаты, и изобретателем телеграфа теперь считается Самуэль Морзе, который изобрел его на 2 года позже. При этом Морзе (его инженерная подготовка была скромной) не стеснялся консультироваться у Генри по техническим проблемам телеграфа и после этого немедленно патентовал то, что ему Генри советовалp>
Генри провел ряд исследований и в других областях. Например, им были проделаны многочисленные метеорологические наблюдения.
К 40-м годам XIX века Генри стал самым авторитетным американским ученым. В 1846 г, он становится секретарем Смитсоновского института. Он не только исполнял официальные обязанности, но и организовал телеграфическое метеорологическое агентство, составил первую метеорологическую карту и заложил основы научных методов прогнозирования погоды.
Генри сделал также много полезного для безопасности мореплавания, его стараниями была увеличена эффективность противотуманных сигналов и маяков. Значительным было и его участие в различных государственных проектах, ему принадлежит открытие многих явлений в акустике и испытании строительных материалов.
В 1868 г. он стал президентом Национальной академии наук и оставался им до конца своей жизни. В 1886 г. вышло собрание его трудов под названием «Научные труды Джозефа Генри». Умер Генри 13 мая 1878 г. в Вашингтоне.
Научный вклад Генри в сокровищницу знаний получил высочайшую оценку: в 1893 г. на Электротехническом Конгрессе в Чикаго единица индуктивности была названа «генри».
Полезные ссылки:
Джозеф Генри в Википедии (на англ. яз.)
Материалы о Джозефе Генри в Encyclopedia.com (на англ. яз.)
Интересная статья Яна Шнейберга «Джозеф Генри — великий физик Америки»
Из статьи: Век с четвертью и целая эпоха в области знаний отделяли электростатику Франклина и электродинамику Максвелла. И большая часть этих знаний была добыта одним человеком – Дж. Генри. Большинство современников не могло оценить как следует и малой доли его огромного вклада в науку. Теперь его исследования стоят в ряду великих научных открытий». Выдающимся вкладом Дж. Генри в исследование электромагнетизма считается открытие им (почти одновременно с Фарадеем) явления электромагнитной индукции. Не случайно его называют «американским Фарадеем». . Хотя тысячи людей каждый погожий день на Молл-сквере в Вашингтоне задерживаются перед памятником Джозефу Генри, установленным перед старым зданием Смитсоновского института. может показаться неправдоподобным, но это именно так, что лишь немногие из них твердо знают, кто он и что он сделал.
«Открытие электромагнитной индукции Маклом Фарадеем» — статья о том, как Майкл Фарадей совершил одно из самых значительных открытий в электротехники. В процессе своих экспериментов в 1830 году Джозеф Генри на целый год раньше Фарадея открыл явление электромагнитной индукции! Но если Фарадей сразу печатал результаты своих экспериментов (Лондон тогда был научным центром мира), то Генри в далекой американской глубинке сделал это не сразу и поэтому потерял приоритет.
Уильям Стёрджен и первый в мире электромагнит
Стёрджен (Sturgeon) Уильям (22.5.1783, Уайтингтон, близ г. Ланкастер, — 4.12.1850, Престуич, близ г. Манчестер), английский изобретатель в области электротехники. Специального образования не получил. В 1825 изобрёл электромагнит, в 1830 разработал технологию изготовления пластин из амальгамированного цинка для гальванических элементов. Сконструировал гальванометр с подвижной катушкой (1836). Проводил исследования атмосферного электричества и занимался вопросами грозозащиты. В 1836 основал первый в Великобритании электротехнический журнал «Annals of Electricity».
После опубликования памфлета Эрстеда многие заинтересовались проблемами электромагнетизма: в том же 1820 г. Араго продемонстрировал проволоку с током, облепленную железными опилками, а Ампер доказал, что спираль с током – соленоид – обладает всеми свойствами природного магнита, притягивая мелкие железные предметы.
Что касается первого электромагнита, т.е. катушки, обтекаемой током и содержащей внутри железный сердечник, то его изобретения пришлось ждать еще пять лет. Это устройство создал Вильям Стерджен.
Он родился в Ланкастере в 1783 г. в семье сапожника. Отец не уделял семье ни малейшего внимания; он наслаждался жизнью, удил рыбу и слыл большим любителем петушиных боев. Молодого Вильяма послали учиться мастерству к сапожнику, и тот, по-видимому, держал его в черном теле. Вильям голодал, и поэтому, как только представился случай, сбежал от сапожника в воинскую часть. Было ему в то время девятнадцать лет. Через два года Вильям дослужился до артиллериста, он много читал, ставил физические и химические опыты.
Однажды, когда их часть стояла на острове Ньюфаундленд, налетел страшный ураган, сопровождавшийся молниями и громом. Ураган произвел на Вильяма неожиданно сильное впечатление и привлек его внимание к электричеству. Он стал читать книги по естествознанию, однако вскоре с горечью понял, что ничего в них не понимает. Тогда он решил начать с самых азов и занялся письмом, чтением и грамматикой. Сержант той же части снабжал его книгами, которые Вильям, освободившись от вахты, читал по ночам. Вскоре он перешел к математике, мертвым и новым языкам, оптике и естествознанию. Его страстью в свободное время было ремонтировать часы и чертить.
После освобождения от воинской службы в 1820 г. Стерджен купил токарный станок и посвятил себя изготовлению физических приборов, в частности электрических. Благодаря поддержке известного тогда химика Джеймса Марша он был назначен лектором в Военную академию Ост-Индской компании в Аддискомбе, где и преподавал до 1838 г.
Первым вкладом Стерджена в науку стала разработка им модифицированной модели вращающихся цилиндров Ампера, описанной в «Философском журнале» в 1823 г. На следующий год он написал четыре статьи по термоэлектричеству, а 23 мая 1825 г. представил Обществу искусств несколько усовершенствованных приборов для электромагнитных экспериментов, среди которых был ставший теперь знаменитым первый электромагнит. Идея цилиндрического и подковообразного магнитов захватила его еще в 1823 г. Тогда Стерджен и построил вращающееся «колесо Стерджена» – фактически одну из первых модификаций электромотора.
Стерджен сделал ряд очень важных открытий, о которых написал несколько статей, однако «Философский журнал», для которого они предназначались, отказался их печатать, и Стерджену не оставалось ничего, как создать свой собственный журнал – «Анналы электричества».
Музей науки в Манчестере, директором которого стал Стерджен в 1840 г., был слишком научным, чтобы быть прибыльным, и Стерджен жил в бедности. В 1850 г. изобретатель электромагнита умер, так и не получив в награду за свое великое изобретение ни богатства, ни славы.
Ученик Стерджена, знаменитый английский физик Джеймс Прескотт Джоуль, писал, что Стерджен был высокого роста и хорошо сложен, обладал благородной внешностью и приятными манерами. К сожалению, портрета его не сохранилось. На его могильной плите выбито: «Здесь лежит изобретатель электромагнита. »
Устройство первого электромагнита
Первый в мире электромагнит, продемонстрированный Стердженом 23 мая 1825 г. Обществу искусств, представлял собой согнутый в подкову лакированный железный стержень длиной 30 и диаметром 1,3 см, покрытый сверху одним слоем изолированной медной проволоки. Электроэнергией он снабжался от гальванической батареи (вольтова столба). Электромагнит удерживал на весу 3600 г и значительно превосходил по силе природные магниты такой же массы. Это было блестящее по тем временам достижение.
Сам Стерджен особенно высоко оценивал свою идею, связанную с заменой жесткого железа мягким. Ученый свободно оперировал такими понятиями, как «магнетизм», «магнитная энергия», «однородность магнитного материала», «отжиг железа» и т.д.
Правление общества оценило заслуги Стерджена. Он получил медаль и денежную премию, а первый электромагнит был выставлен в музее общества.
Джоуль, экспериментируя с самым первым магнитом Стерджена, сумел довести его подъемную силу до 20 кг. Это было в том же 1825 г.
В 1828 г. лондонский часовой мастер Воткинс изготовил электромагнит, который поднимал 30 кг.
Тогда же профессор Молл из Утрехта, взяв за основу конструкцию Воткинса, изготовил магнит, «поднимавший наковальню массой 60 кг и не поднимавший наковальню массой 80 кг».
В 1832 г. Стерджен изготовил магнит, поднимавший 160 кг, но уже в том же году Марш создал магнит, способный поднять более 200 кг. Однако Стерджен не собирался терять первенства. По его заказу в 1840 г. был выполнен электромагнит, способный поднять уже 550 кг!
К тому времени у Стерджена нашелся очень сильный соперник за океаном. В апреле 1831 г. профессор Йельского университета Джозеф Генри (его именем названа единица индуктивности) построил электромагнит массой около 300 кг, поднимавший около 1 т.
Все эти магниты по конструкции представляли собой подковообразные стержни, обмотанные проволокой. Джоуль в ноябре 1840 г. создал магнит собственной конструкции, в виде толстой стальной трубы, разрезанной вдоль оси. Сечение этого магнита было очень большим, магнит оказался компактным и поднимал 1,3 т. В то же время Джоуль построил магнит совершенно новой конструкции – притягиваемый груз испытывал действие не двух полюсов, как обычно, а значительно большего количества, что позволило резко увеличить поднимаемый груз. Магнит массой 5,5 кг удерживал груз массой 1,2 т.
Первые магниты были сделаны «как бог на душу положит». Однако не любая форма давала хороший результат. Случайно получилось так, что Стерджен для своего первого магнита выбрал очень удачную – подковообразную – форму (подковообразные магниты изготовляют до сих пор). Отсутствие опыта и элементарной методики расчета магнитов привело к тому, что некоторые разновидности магнитов, предложенные в то время, были бы, на наш взгляд, просто абсурдными. Так, трехлапый магнит не мог бы успешно работать, так как магнитные потоки каждого стержня противодействовали бы друг другу – поток одного стержня замыкали на втором стержне, где он действовал навстречу потоку этого стержня.
Негодной, на современный взгляд, оказывается и очень часто использовавшаяся конструкция, один магнит в которой составлен из трех более мелких и намотанных отдельно. Ясно, что в промежутках между этими маленькими магнитами магнитные поля двух соседних стержней взаимно уничтожаются.
Лабораторные магниты того периода изготовлялись «на глазок». Никакой теории, которая позволила бы заранее предсказать свойства магнитов, не существовало. Первый вклад в теорию расчета электромагнитов внесли русские ученые Э.X. Ленц и Б.С. Якоби, указавшие на связь подъемной силы электромагнита и произведение силы тока в катушках на число витков обмотки.
После Ленца и Якоби крупный вклад в теорию расчета магнитов внесли англичане братья Гопкинсоны, которые предложили метод учета насыщения – явления, давно замеченного проектировщиками магнитов и заключающегося в том, что в магните заданной формы после некоторого предела увеличением тока в катушках нельзя повысить его подъемную силу. Современная теория связывает это явление с тем, что при достижении некоторого намагничивающего тока элементарные магнитики (диполи) железа (ферромагнетика), ранее расположенные беспорядочно, в основном ориентированы в одном направлении и при дальнейшем усилении намагничивающего тока существенного увеличения числа магнитиков, ориентированных в одном направлении, не происходит. Насыщение стали привело к тому, что индукция магнитного поля первых магнитов не превышала 2 Тл.
Наступила новая эра усиления мощности магнитов, но не путем увеличения их размеров, а посредством совершенствования их формы и борьбы с насыщением. Нельзя сказать, чтобы эта борьба была очень успешной. За сто лет этой напряженной войны физиков с непокорной «насыщающейся» сталью индукция магнитного поля в магнитах возросла всего лишь в два с половиной раза. Над этой проблемой работали многие видные физики и электротехники.
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад
7.3. Создание первых электромагнитных приборов
Изучение электрических и магнитных явлений привело к учению об электромагнетизме. Английский химик Деви установил, что электрическая дуга отклоняется под действием магнита.
В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851) обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку.
Французский ученый Араго (1786-1853) в обнаружил намагничивание железных опилок вблизи проводника с током. Он сконструировал электромагнит. Для этого обмотал медной проволокой стеклянную трубку, в которую вдвинул железный стержень. Как только по проводнику пропустили ток, стержень сильно намагничивался, и к нему притянулись железные ключи. При выключении тока ключи падали на стол.
Французский математик и физик Андре Мари Ампер (1775-1831) подробно изучил магнитное поле тока. Результаты своих исследований он обобщил в работе “Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта изданной им в 1826 г. Он впервые ввел термины “сила тока”, “напряжение”, ”кинематика”, а также высказал идею создания амперметра, электромагнитного телеграфа, а в 1829 г. изобрел коммутатор (переключатель).
Первыми электромагнитными приборами были гальванометры. Гальванометр немецкого физика Иоганна Кристина Поггендорфа (1796-1877) состоял из проволочной катушки, внутри которой помещались магнитная стрелка, для количественных отсчетов служила шкала. В дальнейшем он изобрел гальванометр с зеркальной шкалой.
В 1825 г. итальянский физик Леонардо Нобили (1784-1835) изобрел высокочувствительный гальванометр, применив астатическую систему из двух магнитных стрелок с противоположно направленными полюсами.
Немецкий физик Иоганн Швейгер (1779-1867) изобрел электрометр (1808), пружинный гальванометр, электромагнитный мультипликатор (1820).
7.4. Создание электродвигателя и электрогенератора
Английский физик Майкл Фарадей (1791-1867) открыл в 1831 г. явление электромагнитной индукции – возникновение электрического тока в проводнике при изменении магнитного потока, проходящего через контур проводника. Он показал, что все виды электричества (“трения”, “животное”, гальваническое, “термоэлектричество”, “магнитное”) имеют одну и ту же природу и отличаются только количеством и интенсивностью. Для определения “количества электричества”. Фарадей много занимался изучением электролиза и установил основные законы, носящие его имя.
В
1831 г. Фарадей создал униполярный двигатель (рис.7.3а). В сосуд с ртутью, заряженный положительно он поместил конец проводника, заряженного отрицательно. К дну сосуда был прикреплен на проволочке тонкий длинный магнит, сохранивший вертикальное положение т.к. удельный вес ртути почти в 2 раза больше, чем железа. При пропускании тока по проводнику незакрепленный магнит вращали вокруг него. При закреплении же магнита проводник вращался вокруг него.
а) б) г)
в) д)
Рис. 7.3. Схемы электродвигателей: а – униполярного Фарадея; б – «колесо Барлоу»; в – Якоби; г – Паччинотти; д – Грамма; е – Эдиссона; ж – Гефнера-Альтека; з – трехразрядного Доливо-Добровольского
Фарадей создал один первых прототипов генератора электрического тока. Он поместил между полюсами сильного магнита медный диск, который можно было вращать от руки. При вращении диска в нем возникал электрический ток, шедший от центра к переферии. С помощью металлических проводников, скользящих по диску, в центре и по окружности ток отводили во внешнюю цепь.
Первый генератор электрического тока, основанный на явлении электромагнитной индукции, был построен французским изобретателем Ипполитом Пикси (1802-1835) в 1832 г. Это была магнитоэлектрическая машина, состоящая из 2 проволочных катушек, надетых на железные сердечники, которые были обращены к полюсам большого постоянного магнита. Постоянный магнит можно было вращать от руки. При этом в неподвижных обмотках возникал переменный ток. Т.к. в те времена постоянный ток был изучен лучше, то Пикси снабдил свой генератор коммутатором Ампера, позволяющим получать во внешней цепи ток одного направления.
В 1824 г. английский физик и математик Питер Барлоу (1776-1862) сконструировал раннюю модель электрического мотора (колесо Барлоу, рис.7.3б). Звездноподобное колесо помещалось между полюсами магнита. К колесу подводили положительно заряженный конец привода, а к жидкости, в которую оно опускалось, – отрицательный. При пропускании тока колесо вращалось.
В 1834 г. один из первых электрических двигателей был построен русским физиком Б.С. Якоби (1801-1874) в Петербурге. Действие двигателя Якоби основывалось на взаимном притяжении разноименных магнитных полюсов (рис.7.3в). Подвижная группа электромагнитов 1 питалась током непосредственно от гальванической батареи, причем направление тока в этих электромагнитах оставалось неизменным. Подвижная группа электромагнитов 2 была подключена к батарее через коммутатор 3, с помощью которого направление тока в каждом электромагните изменялось 8 раз за один оборот диска 4. При этом полярность электромагнитов соответственно изменялась, и каждый из подвижных электромагнитов поперечно притягивался и отталкивался соответствующим неподвижным электромагнитом, а вал двигателя начинал вращаться. Мощность двигателя составляла всего 15Вт, поэтому Якоби стал совершенствовать его конструкцию с целью повышения мощности машины. Электродвигатель Якоби мощностью порядка 7л.с. был установлен на шлюпку и соединен с гребным валом. Лодка могла плавать по Неве на расстояния до 40км. Но двигатель Якоби не получил распространения, потому что питание от гальванических батарей было невыгодным, т.к. они были в 10 раз дороже паровых машин, занимали много места, имели большой вес, быстро разряжались.
Русский физик Эмиль Христианович Ленц (1804-1865) кроме всего прочего в 1836 г. открыл обратимость электрических машин. Это позволило перейти к созданию машин, которые могли работать как генераторы и электродвигатели.
Применение постоянных магнитов ограничивало возможность увеличения мощности генератора, поэтому при дальнейшем совершенствовании электрических машин постоянные магниты были замененны на электромагниты.
В 1863 г. английский техник Генри Уальд создал машину, состоящую из П-образного электромагнита, обмотка которого питалась током от самостоятельного небольшого магнитоэлектрического генератора, помещавшегося наверху динамомашины. Между полюсами электромагнита вращался вал с обмоткой, в которой индуцировался ток, выпрямляемый с помощью коммутатора.
Немецкий физик, электромеханик и предприниматель Эрнст Вернер Сименс (1816-1892) в 1867 г. разработал электрогенератор с самовозбуждением, в котором ток для питания собственных элетромагнитов машина вырабатывала сама. Для этой цели Сименс использовал явление остаточного магнетизма. Когда якорь машины начинали вращать, то благодаря остаточному магнетизму в обмотке возникал небольшой ток, который направлялся в электромагниты, намагничивая их. Ток в якоре возрастает и еще больше увеличивает магнитное поле электромагнитов. Такие электрические машины называются самовозбуждающимися.
Дальнейшее развитие электрической машины связано с изобретением кольцевого якоря.
Итальянский физик и изобретатель Антонио Пачинотти (1841-1913) в 1859 г. построил электродвигатель с кольцевым зубчатым якорем, а в 1860 г. – двигатель постоянного тока с коллектором, указал на возможность его преобразования в динамомашину постоянного тока. В двигателе Пачинотти обмотки якоря помещались между зубцами стального кольца и включались последовательно с обмоткой электромагнитов (рис.7.3г). При пропускании тока якорь вращался.
Французский изобретатель Зеноб Гримм (1829-1901) в 1876г. создал генератор, который использовал принцип самовозбуждения и усовершенствовал кольцевой якорь, позволяющий устранить пульсацию тока (рис.7.3д).
Американский изобретатель Томас Альва Эдисон находит хороший способ уменьшить нагрев машины. С этой целью якорь набирается из большого числа дисков из листовой стали, изолированных друг от друга и от вал. Эдисон предложил свою схему обмоток, разработал конструкцию коллектора, в котором было устранено искрение и значительно уменьшен износ пластин (рис.7.3е).
Немецкий электротехник Гефнер-Альгенек (1845-1904) изобрел в 1872 г. барабанный якорь электрической машины постоянного тока (рис.7.3ж).
Постепенно электродвигатели постоянного тока стали применять для разнообразных рабочих машин, станков и механизмов.
Происходит переход от группового привода к индивидуальному. У отдельного электропривода большие преимущества:
1. Станки с электродвигателем можно установить в любом месте.
2. Электроэнергия подводится с помощью проводов.
3. В зависимости от потребностей можно применять электродвигатели разной мощности.
Постепенно электродвигатель сросся с машиной и стал неотъемлемой ее частью.