Aragos rotasjoner - Arago's rotations

Fig. 1. - Aragos spinneskive
Fig. 2. Babagge og Herschels eksperiment
Fig. 3. —Splittskiver brukt av Babbage og Herschel

Aragos rotasjoner er et observerbart magnetisk fenomen som involverer samspillet mellom en magnetisert nål og en metallskive i bevegelse. Effekten ble oppdaget av François Arago i 1824. På tidspunktet for oppdagelsen var Aragos rotasjoner overraskende effekter som var vanskelige å forklare. I 1831 introduserte Michael Faraday teorien om elektromagnetisk induksjon , som forklarte hvordan effektene skjer i detalj.

Historie

Tidlige observasjoner og publikasjoner

Som så ofte har skjedd i andre vitenskapsgrener, ble oppdagelsen av de magnetiske rotasjonene gjort nesten samtidig av flere personer, for alle har det blitt hevdet prioritet. Omkring 1824 hadde Gambey, den berømte instrumentprodusenten i Paris, gjort den tilfeldige observasjonen at en kompassnål, når den blir forstyrret og svinger rundt svingen, kommer til å hvile tidligere hvis bunnen av kompassboksen er av kobber enn om den er av tre eller annet materiale. Barlow og Marsh, i Woolwich , hadde samtidig observert effekten på en magnetisk nål av å rotere en jernsfære i nabolaget. Astronomen Arago, som sies å ha lært om fenomenet fra Gambey, men som også sies å ha oppdaget det uavhengig i 1822, da han jobbet med Humboldt ved magnetiske bestemmelser, var uten tvil den første som publiserte en redegjørelse for observasjonen, som han gjorde muntlig før Académie des Sciences i Paris, 22. november 1824. Han hengte en kompassnål i ringer av forskjellige materialer, skjøv nålen til side til omtrent 45 ° og telle antall oscillasjoner som nålen gjorde før svingningsvinkelen falt til 10 °. I en trering var tallet 145, i en tynn kobberring 66, og i en kraftig kobberring var det bare 33.

Magnetisme av rotasjon

Effekten av tilstedeværelsen av massen av kobber er å dempe nålens vibrasjoner. Hver sving tar samme tid som før, men amplituden reduseres; bevegelsen døende, som om det var en usynlig friksjon på jobb. Arago bemerket at den ga bevis på tilstedeværelsen av en kraft som bare eksisterte mens det var relativ bevegelse mellom magnetnålen og massen av kobber. Han ga fenomenet navnet magnetism of rotation . I 1825 publiserte han et ytterligere eksperiment, der han argumenterte ut fra handlings- og reaksjonsprinsippet og produserte en reaksjon på en stasjonær nål ved bevegelse av en kobberskive (fig. 1). Han hengte en kompassnål i en glassburk som var lukket i bunnen av et ark eller glass, og holdt den over en roterende kobberskive. Hvis sistnevnte svinger sakte, blir nålen ganske enkelt avviket fra den magnetiske meridianen, og har en tendens til å snu i følelsen av rotasjon av disken, som om den usynlig blir dratt av den. Med raskere rotasjon er avviket større. Hvis rotasjonen er så rask at nålen trekkes over 90 °, oppstår en kontinuerlig rotasjon. Arago fant imidlertid ut at styrken ikke bare var tangential. Ved å henge en nål vertikalt fra balansen i balansen over den roterende skiven, fant han ut at den ble frastøtt da skiven dreide. Stangen som hang nærmest skiven ble også påvirket av radialkrefter som hadde en tendens til å tvinge den radialt utover, hvis stangen var nær skivens kant, men hvis stangen var nærmere midten, og hadde en tendens til å tvinge den radialt innover.

Fig. 4. - Faraday skivemaskin

Poisson , gjennomsyret av Coulombs forestillinger om magnetisk handling på avstand, skrev for å bygge opp en teori om rotasjonsmagnetisme, og bekreftet at alle kropper tilegner seg en midlertidig magnetisme i nærvær av en magnet, men at denne kobbermagnismen tok lengre tid i kobber å dø bort. Forgjeves påpekte Arago at teorien ikke klarte å redegjøre for fakta. Den såkalte "rotasjonens magnetisme" truet med å bli en fast idé.

Undersøkelser av fenomenene av andre forskere

På dette stadiet ble fenomenet undersøkt av flere engelske eksperimenter, av Babbage og Herschel , av Christie , og senere av Sturgeon og av Faraday . Babbage og Herschel målte mengden av forsinkende kraft som ble utøvd på nålen av forskjellige materialer, og fant den kraftigste til å være sølv og kobber (som er de to beste lederne for elektrisitet), etter dem gull og sink, mens bly, kvikksølv og vismut var veldig dårlige med makten. I 1825 kunngjorde de den vellykkede reverseringen av Aragos eksperiment; for ved å snurre magneten under en svingbar kobberskive (fig. 2) hadde de fått den til å rotere raskt. De gjorde også den bemerkelsesverdige observasjonen at spalter kuttet radielt i en kobberskive (fig. 3) reduserte tendensen til å bli rotert av den spinnende magneten. Hvis rotasjonskraften til den uslitte skiven regnes som 100, reduserte en radial spalte den til 88, to radielle slisser til 77, fire til 48 og åtte til 24. Amperè , i 1826, viste at en roterende kobberskive også trener et vendepunkt på en nærliggende kobbertråd som en strøm strømmer gjennom. Seebeck i Tyskland, Prévost og Colladon i Sveits, Nobili og Bacelli i Italia, bekreftet observasjonene til de engelske eksperimentene og la til andre. Sturgeon viste at dempningseffekten av en magnetpol på en kobberskive i bevegelse ble redusert ved tilstedeværelsen av en andre magnetpol av motsatt slag plassert ved siden av den første. Fem år senere vendte han tilbake til emnet og kom til den konklusjonen at effekten var en elektrisk forstyrrelse, "en slags reaksjon på det som finner sted innen elektromagnetisme", da publiseringen av Faradays strålende forskning om magneto-elektrisk induksjon, i 1831 forhindret han den fullstendige forklaringen som han var på jakt etter. Faraday viste faktisk at relativ bevegelse mellom magnet og kobberskive uunngåelig oppretter strømmer i metallet på skiven, som igjen reagerte på magnetpolen med gjensidige krefter som hadde en tendens til å redusere den relative bevegelsen - det vil si tendens til å dra den stasjonære delen (enten magnet eller skive) i retningen til den bevegelige delen, og har en tendens til alltid å motsette seg bevegelsen til den bevegelige delen. Faktisk roterer strømmen i den bevegelige disken, med mindre den ledes av glidende kontakter.

Eksperimenter med virvelstrømmer av Faraday og Matteuci

Dette gjorde Faraday faktisk da han førte kobberplaten kantet (fig. 4) mellom polene på en kraftig magnet og snurret den, mens den mot kanten og akselen ble presset med fjærkontakter for å fjerne strømmen. Elektromotorisk kraft, som virker i rette vinkler til bevegelsen og til magnetfeltets linjer, produserer strømmer som strømmer langs skivens radius. Hvis det ikke er gitt noen ekstern bane, må strømmen finne seg selv interne returbaner i metallet på disken.

Fig. 5 viser måten et par eddies settes opp i en skive som roterer mellom magnetpoler. Disse virvelene er symmetrisk plassert på hver side av radiusen for maksimal elektromotorisk kraft (fig. 6).

Retningen for sirkulasjonen av virvelstrømmer er alltid slik at den har en tendens til å motsette seg den relative bevegelsen. Hvirvelstrømmen i delen som trekker seg tilbake fra polene har en tendens til å tiltrekke polene fremover eller dra denne delen av skiven bakover. Hvirvelstrømmen i den delen som går mot polene har en tendens til å frastøte polene og bli frastøtt av dem. Det er åpenbart at spalter som er kuttet i skiven vil ha en tendens til å begrense strømmen av virvelstrømmene og ved å begrense dem til å øke motstanden til deres mulige baner i metallet, selv om det ikke vil redusere elektromotorisk kraft. I undersøkelsene til Sturgeon er en rekke eksperimenter beskrevet for å fastslå i hvilke retninger virvelstrømmene strømmer i disker. Lignende, men mer fullstendige undersøkelser ble gjort av Matteuci . Induksjonen i roterende sfærer ble matematisk undersøkt av Jochmann, og senere av den beklagede Hertz .

Faraday viste flere interessante eksperimenter på virvelstrømmer. Blant annet hang han fra en vridd tråd en terning av kobber i en direkte linje mellom polene til en kraftig elektromagnet (fig. 7). Før strømmen ble slått på kuben, vevde den etter vekten av snoren og snurret raskt. Når magneten spennes ved å slå på strømmen, stopper terningen øyeblikkelig; men begynner å spinne igjen så snart strømmen brytes. Matteucci varierte dette eksperimentet ved å konstruere en terning med firkantede biter av arkkobber atskilt med papir fra hverandre. Denne laminerte terningen (fig. 8) hvis den ble suspendert i magnetfeltet av en krok a , slik at dens lameller var parallelle med linjene i magnetfeltet, kunne ikke stoppes i rotasjonen ved den plutselige påslaget av strømmen i strømmen elektromagnet; mens hvis den ble hengt opp av kroken b , slik at lamineringene var i et vertikalt plan, og deretter ble spinnet, ble den arrestert med en gang da elektromagneten var begeistret. I sistnevnte tilfelle kan bare virvelstrømmer sirkulere; siden de krever baner i fly i rette vinkler til magnetlinjene.

Fig. 5.-Virvelstrømmer i spinneskiven
Fig. 6.-Stier av virvelstrømmer

Med forklaringen fra Faraday på Arago-rotasjonene, som bare skyldes induserte virvelstrømmer, synes den særegne interessen de begeistret mens årsaken var ukjent, nesten å ha dødd ut. Noen år senere ble det visselig gjenopplivet en viss interesse da Foucault viste at de var i stand til å varme opp metallskiven, hvis rotasjonen til tross for drag ble tvangsmessig videreført i magnetfeltet. Hvorfor denne observasjonen burde ha forårsaket virvelstrømmene som Faraday oppdaget som forklaringen på Aragos fenomen, til å bli kalt Foucaults strømmer, er ikke klart. Hvis noen har rett til æren av å få virvelstrømmene oppkalt etter seg, er det åpenbart Faraday eller Arago, ikke Foucault. Litt senere produserte Le Roux paradokset om at en kobberskive som roteres mellom konsentriske magnetpoler ikke blir oppvarmet derved, og ikke får noe drag. Forklaringen på dette er som følger. Hvis det er en ringformet nordpol foran den ene siden av skiven, og en ringformet sørpol foran den andre siden, selv om det er et magnetisk felt produsert rett gjennom skiven, er det ingen virvelstrømmer. For hvis det er like elektromotoriske krefter rettet radielt innover eller radialt utover rundt skiven, vil det ikke være noen returbane for strømmer langs en radius av skiven. Periferien vil ganske enkelt ta et litt annet potensial fra sentrum; men ingen strømmer vil strømme fordi elektromotivkreftene rundt en lukket bane i disken er balansert.

Eksperimenter med kobberplate av andre forskere

I 1884 publiserte Willoughby Smith en undersøkelse om roterende metallskiver der han fant jernskiver for å generere elektromotoriske krefter som var bedre enn de som ble generert på kobberplater av samme størrelse.

Guthrie og Boys hang i 1879 en kobberplate over en roterende magnet ved hjelp av en torsjonstråd, og fant ut at torsjonen var direkte proporsjonal med rotasjonshastigheten. De påpekte at et slikt instrument var veldig nøyaktig for måling av maskinens hastighet. De gjorde også eksperimenter med å variere avstanden mellom kobberplaten og magneten, og å variere diameteren og tykkelsen på kobberplaten.

Eksperimenter ble gjort på forskjellige metaller, og dreiemomentet ble funnet å variere som metallets ledningsevne så langt det sistnevnte kunne bedømmes etter å ha blitt rullet i form av plate. Guthrie og Boys brukte deretter metoden på måling av konduktivitet til væsker.

I 1880 observerte De Fonvielle og Lontin at en lett svingbar kobberskive kunne opprettholdes i kontinuerlig rotasjon - hvis den først ble startet - ved å være plassert, i nærvær av en magnet, i en spole av kobbertråd viklet på en rektangulær ramme (som spolen av et gammelt galvanometer), og leveres med alternative strømmer fra en vanlig Ruhmkorfif induksjonsspole. De kalte apparatet sitt for et elektromagnetisk gyroskop.

Det ser ikke ut til å ha falt for noen at Arago -rotasjonene kunne brukes i konstruksjonen av en motor før 1879.

Kort beskrivelse av Aragos rotasjoner

En magnetisk nål er fritt suspendert på en pivot eller snor, et lite stykke over en kobberskive. Hvis disken er stasjonær, justerer nålen seg etter jordens magnetfelt. Hvis platen roteres i sitt eget plan, roterer nålen i samme retning som platen. (Effekten avtar når avstanden mellom magneten og disken øker.)

Fig. 7. - Kobberterning i kraftig elektromagnet
Fig. 8. - Lamineret terning i et magnetfelt

Variasjoner:

  • Hvis disken er fri til å rotere med minimal friksjon, og nålen roteres over eller under den, roterer disken i samme retning som nålen. (Dette er lettere å observere eller måle hvis nålen er en større magnet.)
  • Hvis nålen ikke får rotere, hemmer dens tilstedeværelse rotasjonen av platen. (Dette er lettere å observere eller måle hvis nålen er en større magnet.)
  • Andre ikke-magnetiske materialer med elektrisk ledningsevne (ikke-jernholdige metaller som sølv, aluminium eller sink) gir også effekten.
  • Ikke-ledende ikke-magnetiske materialer (tre, glass, plast, is, etc.) gir ikke effekten.

Relativ bevegelse av lederen og magneten induserer virvelstrømmer i lederen, som produserer en kraft eller et dreiemoment som motsetter eller motstår relativ bevegelse, eller prøver å "koble" objektene. Den samme drag-lignende kraften brukes ved virvelstrømbremsing og magnetisk demping .

Se også

Videre lesning

Referanser

‹Se TfM›Offentlig domene Denne artikkelen inneholder tekst fra en publikasjon som nå er i offentlig regi : Polyfase elektriske strømmer og vekselstrømsmotorer . London, Sponn & Chamberlain. 1895.

Eksterne linker