Blondels experiment

Blondels experiment är en serie experiment som utfördes av fysikern André Blondel 1914 för att avgöra vad som var den mest allmänna lagen för elektromagnetisk induktion . Faktum är att, konstaterade Blondel, " Betydande diskussioner har väckts upprepade gånger om frågan om vad som är den mest allmänna induktionslagen: vi bör betrakta den elektromotoriska kraften ( emf ) som produkten av varje variation av magnetiskt flöde ( $\ Phi$ ) som omger en ledare eller av det faktum att ledaren sveper en del av detta flöde?" .

I det första fallet hänvisade Blondel till Faraday-Neumann-lagen , som ofta anses vara den mest allmänna lagen, medan han i det andra fallet hänvisade till Lorentz-kraften .

Normalt består experiment för att verifiera det första fallet av att mäta den inducerade strömmen i en sluten ledande krets, sammanlänkad med magnetinduktionsfältet $B$ hos en magnet, med $B$ varierande i tid, medan det för verifiering i det andra fallet mäter vi vanligtvis den inducerade strömmen i en sluten krets med variabel form eller rör sig genom att klippa vinkelrätt av en konstant ${\displaystyle B} fält.$

Det andra fallet beror dock på en variation av det magnetiska flödet ${\displaystyle \Phi =B\cdot S} ,$ inte så mycket på grund av att intensiteten hos $B$ varierar, utan på grund av att ytan $S$ som korsas av fältet varierar.

Blondel, å andra sidan, utarbetade " en ny anordning som består i att variera det totala magnetiska flödet som passerar genom en spole, genom en kontinuerlig variation av antalet varv av denna spole " . På detta sätt är $B$ och $S$ konstanta för varje spole, men det totala flödet varierar med antalet spolar som påverkas av fältet $B$ .

Det följer att, givet flödet $\Phi$ sammanlänkade till en enda slinga och $N$ det totala antalet slingor, enligt Faraday-Neumanns lag, är den resulterande elektromotoriska kraften:

$emf=-{d(\mathrm {N} \Phi ) \over dt}=-\Phi {d\mathrm {N} \ över dt},$

dvs beroende på variationen av antalet varv i tiden.

Blondel testade fyra konfigurationer av sin apparat där han visar att en förändring i flöde inte alltid genererar en emk i en krets sammanlänkad till den, och drog slutsatsen att Faraday-Neumann-lagen inte kan vara den allmänna lagen.

Apparatbeskrivning

Blondels apparat

Apparaten består av en elektromagnet E , vars U-formade kärna slutar i två stora parallella plattor P och P '. Två induktionsspolar B genererar magnetfältet i E. Mellan de två plattorna finns en roterande trätrumma T på vilken en isolerad elektrisk tråd är lindad. Tråden går ut från trummans mitt och ansluts med en ring b som är integrerad med trumman och av försumbar diameter med avseende på själva trumman. En glidkontakt f förbinder tråden elektriskt med en galvanometer G , med hjälp av ett motstånd R så att ström kan flyta även när trumman roterar.

Till galvanometern är ansluten, på ett speglande sätt till den första, en annan trumma T ' som är ansluten till en motor M , som kan rotera trumman T ' med justerbar hastighet.

Slutligen når den elektriska ledningen som passerar genom mitten av båda trummorna, efter ett visst antal lindningar runt en av dem, den andra trumman, vilket stänger kretsen. När motorn M startar kan den öka antalet spolar som lindas runt T ' genom att minska de runt T eller vice versa.

Blondel ansluter tråden genom f till tråden lindad på T på fyra olika sätt, vilket gör lika distinkta experiment.

De fyra experimenten

Första experimentet

Tråden som är lindad på T är ansluten direkt till rotationsaxeln på vilken glidkontakten f vilar , genom den ledande ringen b , med försumbar diameter, som visas i figuren.

Genom att ansluta trumman T ' till motorn M når den snabbt en konstant hastighet och det gör även den andra trumman T . När denna hastighet bibehålls i ungefär en minut, rör sig galvanometernålen, vilket indikerar närvaron av en elektromotorisk kraft ( emf ).

Andra experimentet

Tråden som är lindad på T är ansluten till en ledande ring med diameter lika med trummans T och integrerad med den. Kontakten f löper längs kanten på ringen som vrids med trumman.

Så jämfört med föregående experiment f , istället för att vara ansluten till mitten av spolen är ansluten vid en punkt så långt från mitten som radien för själva spolen.

I detta fall visar galvanometern att emk inducerad under trumrotation är noll, till skillnad från vad som kunde förväntas med Faradays ursprungliga experiment i åtanke .

Eftersom Blondel befarade att det skulle kunna invändas att resultatet beror på att kretsen mellan f och fästpunkten för spoltråden till ringen under rotation kan följa två olika banor som delvis neutraliserar varandra, gör han ett tredje experiment.

Tredje experimentet

Tråden som är lindad på T är ansluten, med hjälp av en glidkontakt som kommer ut från kanten av trumman, till kanten av en solid ledande skiva, med en diameter som är lika med trummans T och parallell med den men lösgjort , så för att förbli stillastående medan trumman vrider sig. Kontakten f vilar direkt på den centrala delen av skivan.

Även i detta fall är den emk som mäts av galvanometern noll.

Från de två sista resultaten drar Blondel slutsatsen att den emk som mättes i det första experimentet inte orsakades av den progressiva minskningen av flödet utan av svepningen av flödet genom att tråden förenar spolens mitt med borsten f .

För att ytterligare bekräfta detta utför han ett fjärde experiment.

Fjärde experimentet

Tråden som är lindad på T är ansluten till kanten av en solid skiva med diameter lika med trummans T och integrerad med den. Kontakten f remsar mot mitten av skivan.

I detta fall registrerar galvanometern en emk exakt lika med den för det första experimentet. Inte bara det, men om du roterar skivan och håller trummorna stilla, spelar den fortfarande in samma emk som orsakas endast av det faktum att en del av kretsen sveper flödet. Genom att dessutom variera kontaktpunkten för spolen från ytterkanten till skivans mitt, är den inducerade emk proportionell mot arean av cirkeln som har som radie avståndet mellan de två fästpunkterna.

Resultatet är analogt med Faraday-skivan .

Slutsatser

Härifrån drar Blondel slutsatsen att:

1) När magnetfältet är konstant uppstår en emk endast om kretsen skär genom fältets kraftlinjer, som i det första experimentet (rotationsaxel-trummans kantsektion). Om detta inte händer, även om det totala flödet genom kretsen varieras, finns det ingen emf , som i det andra experimentet.

2) Det fall där kretsens stängningslinje (axelkantsektion) rör sig inom en solid ledare (men ledaren förblir stationär), som i det tredje experimentet, är inte ekvivalent med fallet där hela ledaren rör sig, som i det fjärde experimentet (i detta fall verkar Lorentz-kraften).

Så " man måste förkasta de alltför allmänna påståendena om induktionslagen som felaktiga " och till påståendet att " En elektromotorisk kraft har sitt ursprung i en sluten krets när antalet magnetiska linjer som passerar genom den varierar ...." bör läggas " och när variationen produceras antingen genom att ledaren sveper kraftlinjerna eller av en variation i själva induktorns fält" .

I grund och botten visar experiment hur Faradays grundlag, det vill säga den som endast tar hänsyn till flödesvariation, inte kan vara den allmänna induktionslagen. I själva verket är det nödvändigt att även inkludera bidraget på grund av Lorentz kraft för att få den allmänna formeln .

Se även

• Carl Hering
• Maxwell–Lodge-effekt
• Riccardo Felici

Vidare läsning

• M. André Blondel (1914). "Sur l'énoncé le plus général des lois de l'induction" . Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences . 159 : 674-679.
• Carl Hering (1908). "En ofullkomlighet i det vanliga uttalandet av den grundläggande lagen för elektromagnetisk induktion". Trans. Amer. IEE . 27 : 1341–1371.
• Carl Hering (1908). "En ny faktor i induktion; "slingan" kontra "skärande kraftlinjer" " . Elektrisk värld . 51 : 5581.
• Giuseppe Giuliani; Paolantonio Marazzini (2012). "Induzione elettromagnetica: un possibile percorso didattico" (PDF) . La Fisica Nella Scuola . XLV (2): 55–66.
• Kirk T. McDonald. "Hering's Flux-Linkage Paradox" (PDF) .
• Kirk T. McDonald. "Blondels experiment" (PDF) .