Токи Фуко (вихревые токи) названы в честь Жана Бернара Леона Фуко, родившийся 18 сентября 1819 года.
Жан Бернар Леон Фуко был французским физиком, которого считают одним из самых разносторонних экспериментаторов девятнадцатого века. Он хорошо известен своими экспериментами в области оптики и механики и участвовал в разработке метода измерения скорости света с предельной точностью.
Фуко чаще всего помнят за то, что он доказал с помощью маятника, что Земля вращается вокруг своей оси. Но у него было много и других важных открытий и изобретений.
Физика, измерившего скорость света и доказавший, что Земля вращается вокруг своей оси
Жан Бернар Леон Фуко (18 сентября 1819 г. — 11 февраля 1868 г.)
Фуко родился в Париже в семье издателя. Его раннее образование было получено дома, и он подавал юношеские надежды в механике.
Дома проявились конструкторские способности Леона — он сделал модель корабля, механический телеграф, действующую модель паровой машины.
Получив степень бакалавра гуманитарных наук, Фуко поступил в медицинскую школу, но вскоре отказался от этой программы. Он решил, что не может вынести вида крови, и оставил медицину, чтобы изучать физику.
Он начал работать на Альфреда Донна. В то время Леон дружил с другим будущим известным французским математиком и физиком — Жюлем Лиссажу.
Вместе с Альфредом Донном он участвовал в экспериментах, связанных с фотографией. Они разработали метод визуализации микроскопических образцов.
В 1839 году Фуко познакомился с французским физиком Арманом Физо с которым в дальнейшем работал в тесном сотрудничестве почти десять лет.
Вместе они сделали первые подробные снимки поверхности Солнца и разработали более точный способ измерения скорости света в 1849 году.
Он определил, что скорость составляет 298 000 километров в секунду. Его расчеты были очень близки к тому, что мы знаем сегодня как скорость света: чуть менее 300 000 километров в секунду.
Фуко также доказал, что скорость света в воздухе больше, чем в воде.
Его вклад в область оптики включали метод измерения кривизны зеркал телескопа, метод проверки зеркал телескопа на наличие поверхностных дефектов и изобретение поляризационной призмы для ориентации и управления поляризованным светом.
Жан Бернар Леон Фуко на французской почтовой марке 1958 года
Используя маятник для часов, используемых для управления телескопами, Фуко наткнулся на идею его применения для доказательства того, что Земля вращается вокруг своей оси.
Фуко основывал свое доказательство на законе Ньютона, который гласит, что когда тело приведено в движение, оно будет двигаться по прямой линии от своего начала до тех пор, пока на него не воздействуют внешние силы.
Фуко впервые продемонстрировал свое доказательство на Всемирной выставке 1851 года в Пантеоне в Париже с помощью маятника (маятник Фуко).
Большой маятник был подвешен над головой и весь день совершал постоянные колебания.
Когда Земля вращается, маятник опрокидывал маленькие предметы, расположенные по кругу на полу под ним. Тот факт, что маятник опрокидывал эти объекты, доказывает, что Земля вращается вокруг оси. Предметы на полу вращаются вместе с Землей, а подвешенный маятник, — нет.
Маятник Фуко
На этом закончились два столетия поисков экспериментальной демонстрации вращения Земли.
Эксперименты в Пантеоне оказали огромное влияние на публику. Фуко завершил несколько тысячелетий философских дискуссий о движении Земли решающим экспериментом, который был непосредственно виден публике.
Опыт был повторен во многих городах мира. Его показывали во Франции в Ренне и в Реймском соборе.
Маятники Фуко до сих пор устанавливаются в различных музеях и выставочных залах по всему миру.
Гироскоп был еще одним устройством, изобретенным Фуко для демонстрации движения Земли вокруг своей оси. Разработанный им аппарат принес ему Крест Почетного легиона.
Рисунок гироскопа Фуко (слева) и его пускового устройства (справа).
В середине XX века гироскоп стал одним из основным компонентом самолетов, поскольку он помогал в навигации.
Сегодня трехосные гироскопы используются во многих портативных электронных устройствах, включая мобильные телефоны. Добавление этой технологии позволяет обнаруживать движение и перемещать экран по нескольким осям, знакомым пользователям большинства устройств с сенсорным экраном.
Фуко также разработал фотометр — прибор для измерения освещенности, специальный ртутный прерыватель для повышения эффективности индукционных катушек и автоматический регулятор света для дуговой лампы.
Фотоэлектрический регулятор Фуко
С Фуко связано появление появились первых электрических регуляторов света для электрических дуговых ламп.
Первые эксперименты с использованием этой системы освещения, называемой электрической или гальванической дугой, приписывают химику Гемфри Дэви около 1800 года. Однако только в 1844 году Фуко удалось получить эффективное освещение с помощью электрической дуги благодаря изобретенному им регулятору.
С помощью своего регулятора он сделал первую в мире угольную дуговую лампу, которая впоследствии использовалась преимущественно для театрального освещения, поэтому Жан Бернар Леон Фуко считается изобретателем первых практически используемых электрических источников света.
Автоматический регулятор света для дуговой лампы Фуко
Гравюра "Первое уличное освещение" (1844 год). Рисунок первого в мире уличного освещения на площади Согласия в Париже с помощью угольной дуговой лампы Фуко.
Открытие токов Фуко
В 1851 году Жан Бернар Леон Фуко открыл вихревые токи. Эти токи возникают, когда тело из электропроводящего материала движется в магнитном поле. Возникает электромагнитная индукция и в теле индуцируется ток, который противодействует вызвавшему его изменению (по закону Ленца).
Еще в 1834 г петербургский академик Генрих Фридрих Эмиль Ленц пришел к выводу, что «...при электромагнитной индукции индуцированный ток всегда имеет такое направление, что препятствует изменению, которое создает индукция.»
Закон Ленца выражает своего рода инерцию взаимного состояния между магнитным полем и проводником с током: "Наведенный электрический ток в замкнутой цепи имеет такое направление, что своим магнитным полем противодействует изменению потока магнитной индукции, являющемуся его причиной (или вызвавшему этот ток)".
Жан Бернар Леон Фуко доказал справедливость закона Ленца экспериментально.
Для демонстрации преобразования механической работы в тепло он использовал круглую медную пластину, помещенную между полюсами электромагнита. Электромагнитная индукция создавала в пластине электрические токи, направленные по радиусам к центру или от центра пластины. По закону Ленца их силовые воздействия всегда действовали против движения пластины.
Известна своего рода аналогия закона Ленца из повседневной жизни: в ландшафте, подвергшемся вмешательству (например, разработка месторождений, свалка и т. д.), регенерация растительности происходит значительно быстрее. Чем чаще молодой человек бреется, тем быстрее растет его борода. Короче говоря, следствие (рост растительности, рост бороды, ...) всегда работает против причины (уничтожение растительности, бритье лица, ...).
Наведенные токи возникают не только в катушках, но и в массивных проводниках (листах, пластинах, призмах и др.), находящихся в переменном магнитном поле.
Токи, индуцируемые в плоских проводниках, которые мы можем представить себе как миниатюрные вихри, называются вихревыми токами (токами фуко). Их эффект используется для демпфирования движения — например, в индукционных тормозах, демпфировании качания стрелки измерительного прибора, гашении инерции диска индукционного электросчетчика.
Так в электросчетчике диск заходит в узкий зазор постоянного магнита и практически сразу останавливается при прекращении подачи тока. Энергия движущегося диска преобразуется в энергию индуцированных токов.
Шихтованный магнитопровод трансформатора позволяет значительно уменьшить его нагрев при протекании вихревых токов
Вихревые токи являются причиной некоторых потерь (известных как потери на вихревые токи) в магнитных цепях машин переменного тока и трансформаторов. Вот почему магнитные цепи таких устройств изготавливаются из шихтованных пластин, чтобы ограничить эти токи и возникающие в результате потери Джоуля-Ленца, повышая общий КПД машин и трансформаторов.
В лучах славы
В 1855 году Жан Бернар Леон Фуко получил должность физика Парижской обсерватории, а также был награжден «медалью Копли», которая в наше время остается старейшей в мире наградой за научные достижения. Он был удостоен этой чести «за различные исследования в области экспериментальной физики».
Он стал кавалером французского Почетного легиона, членом Королевского общества в Лондоне, членом Немецкой академия естествоиспытателей и в 1865 г., после смерти одного из основоположников термодинамики - физика Эмиля Клапейрона - он стал членом механической секции Французской академии наук.
Могила Фуко на кладбище Монмартр в Париже
К сожалению, его успешная карьера преждевременно закончилась, когда он перенес внезапный инсульт. Жан Бернар Леон Фуко умер 11 февраля 1868 года в возрасте 48 лет. Он похоронен на кладбище Монмартр в Париже.