Dzisiaj ujawnimy takie zjawisko fizyczne jak "prawo indukcji elektromagnetycznej". Powiemy Ci, dlaczego Faraday przeprowadził eksperymenty, podamy formułę i wyjaśnimy znaczenie zjawiska w życiu codziennym.
Starożytni bogowie i fizyka
Starożytni ludzie czcili nieznane. A teraz człowiek boi się głębin morza i przestrzeni kosmicznej. Ale nauka może wyjaśnić dlaczego. Okręty podwodne rejestrują niesamowite życie oceanów na głębokości ponad kilometra, teleskopy kosmiczne badają obiekty, które istniały zaledwie kilka milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Ale wtedy ludzie deifikowali wszystko, co ich fascynowało i przeszkadzało:
- wschód słońca;
- przebudzenie roślin na wiosnę;
- deszcz;
- narodziny i śmierć.
W każdym obiekcie i zjawisku żyły nieznane siły, które rządziły światem. Do tej pory dzieci miały tendencję do humanizowania mebli i zabawek. Pozostawieni bez opieki dorosłych fantazjują: koc się przytuli, stołek się zmieści, okno samo się otworzy.
Być może pierwszym ewolucyjnym krokiem ludzkości była zdolność do utrzymaniaogień. Antropolodzy sugerują, że najwcześniejsze pożary zostały rozpalone z drzewa, które uderzył piorun.
Tak więc elektryczność odegrała ogromną rolę w życiu ludzkości. Pierwszy piorun dał impuls do rozwoju kultury, podstawowe prawo indukcji elektromagnetycznej doprowadziło ludzkość do stanu obecnego.
Od octu do reaktora jądrowego
W piramidzie Cheopsa znaleziono dziwne naczynia ceramiczne: szyja jest zapieczętowana woskiem, w głębinach ukryty jest metalowy cylinder. Po wewnętrznej stronie ścian znaleziono resztki octu lub kwaśnego wina. Naukowcy doszli do sensacyjnego wniosku: ten artefakt to bateria, źródło energii elektrycznej.
Ale do 1600 nikt nie podjął się badania tego zjawiska. Przed poruszaniem się elektronów badano naturę elektryczności statycznej. Starożytni Grecy wiedzieli, że bursztyn daje wyładowania, jeśli ociera się go o futro. Kolor tego kamienia przypominał im światło gwiazdy Elektry z Plejad. A nazwa minerału stała się z kolei powodem ochrzczenia zjawiska fizycznego.
Pierwsze prymitywne źródło prądu stałego zostało zbudowane w 1800 roku
Oczywiście, gdy tylko pojawił się wystarczająco mocny kondensator, naukowcy zaczęli badać właściwości podłączonego do niego przewodnika. W 1820 roku duński naukowiec Hans Christian Oersted odkrył, że igła magnetyczna odchyla się obok przewodnika znajdującego się w sieci. Fakt ten dał impuls do odkrycia przez Faradaya prawa indukcji elektromagnetycznej (wzór zostanie podany poniżej), co pozwoliło ludzkości wyodrębnićenergia elektryczna z wody, wiatru i paliwa jądrowego.
Prymitywny, ale nowoczesny
Fizyczną podstawę eksperymentów Maxa Faradaya położył Oersted. Jeśli przełączany przewodnik wpływa na magnes, to jest również odwrotnie: namagnesowany przewodnik musi indukować prąd.
Struktura eksperymentu, który pomógł wyprowadzić prawo indukcji elektromagnetycznej (pole elektromagnetyczne jako pojęcie, które rozważymy nieco później) była dość prosta. Drut nawinięty na sprężynę jest podłączony do urządzenia rejestrującego prąd. Naukowiec przyniósł do cewek duży magnes. Gdy magnes poruszał się obok obwodu, urządzenie zarejestrowało przepływ elektronów.
Od tego czasu technika uległa poprawie, ale podstawowa zasada wytwarzania elektryczności na ogromnych stacjach jest nadal taka sama: poruszający się magnes wzbudza prąd w przewodzie nawiniętym przez sprężynę.
Rozwój pomysłu
Pierwsze doświadczenie przekonało Faradaya, że pola elektryczne i magnetyczne są ze sobą powiązane. Ale trzeba było dokładnie dowiedzieć się, jak. Czy pole magnetyczne powstaje również wokół przewodnika przewodzącego prąd, czy po prostu mogą one na siebie oddziaływać? Dlatego naukowiec poszedł dalej. Nawinął jeden drut, doprowadził do niego prąd i wepchnął tę cewkę do innej sprężyny. Dostał też prąd. To doświadczenie dowiodło, że poruszające się elektrony wytwarzają nie tylko pole elektryczne, ale także pole magnetyczne. Później naukowcy odkryli, w jaki sposób znajdują się w przestrzeni względem siebie. Pole elektromagnetyczne jest również powodem, dla którego istniejeświatło.
Eksperymentując z różnymi opcjami interakcji przewodników pod napięciem, Faraday odkrył, że prąd jest najlepiej przesyłany, jeśli pierwsza i druga cewka są nawinięte na jednym wspólnym metalowym rdzeniu. Na tym urządzeniu wyprowadzono wzór wyrażający prawo indukcji elektromagnetycznej.
Formuła i jej składniki
Teraz, gdy historia badań nad elektrycznością została przeniesiona do eksperymentu Faradaya, czas napisać wzór:
ε=-dΦ / dt.
Odszyfruj:
ε to siła elektromotoryczna (w skrócie EMF). W zależności od wartości ε elektrony poruszają się intensywniej lub słabiej w przewodniku. Moc źródła wpływa na pole elektromagnetyczne, a siła pola elektromagnetycznego wpływa na to.
Φ to wielkość strumienia magnetycznego, który aktualnie przechodzi przez dany obszar. Faraday zwinął drut w sprężynę, ponieważ potrzebował pewnej przestrzeni, przez którą przechodziłby przewodnik. Oczywiście dałoby się zrobić bardzo gruby przewodnik, ale byłoby to kosztowne. Naukowiec wybrał kształt koła, ponieważ ta płaska figura ma największy stosunek pola do długości powierzchni. To najbardziej wydajna energetycznie forma. Dlatego kropelki wody na płaskiej powierzchni stają się okrągłe. Ponadto sprężyna o przekroju okrągłym jest znacznie łatwiejsza do zdobycia: wystarczy nawinąć drut wokół jakiegoś okrągłego przedmiotu.
t to czas, w którym przepływ przeszedł przez pętlę.
Prefiks d we wzorze prawa indukcji elektromagnetycznej oznacza, że wartość jest różniczkowa. Tjmały strumień magnetyczny musi być różnicowany w małych odstępach czasu w celu uzyskania końcowego wyniku. To matematyczne działanie wymaga od ludzi pewnego przygotowania. Aby lepiej zrozumieć formułę, zdecydowanie zachęcamy czytelnika do przypomnienia sobie różnicowania i integracji.
Konsekwencje prawa
Zaraz po odkryciu Faradaya fizycy zaczęli badać zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Na przykład prawo Lenza zostało eksperymentalnie wyprowadzone przez rosyjskiego naukowca. To właśnie ta zasada dodała minus do końcowej formuły.
Wygląda tak: kierunek prądu indukcyjnego nie jest przypadkowy; przepływ elektronów w drugim uzwojeniu ma tendencję do zmniejszania wpływu prądu w pierwszym uzwojeniu. Oznacza to, że wystąpienie indukcji elektromagnetycznej jest w rzeczywistości odpornością drugiej sprężyny na ingerencję w „życie osobiste”.
Zasady Lenza mają inne konsekwencje.
- jeśli prąd w pierwszej cewce wzrośnie, to prąd drugiej sprężyny również będzie wzrastał;
- jeśli prąd w uzwojeniu indukcyjnym spadnie, prąd w drugim uzwojeniu również się zmniejszy.
Zgodnie z tą zasadą, przewodnik, w którym indukowany prąd faktycznie występuje, ma tendencję do kompensowania efektu zmieniającego się strumienia magnetycznego.
Zboże i osioł
Skorzystaj z najprostszych mechanizmów dla własnej korzyści, o które ludzie dążą od dawna. Mielenie mąki to ciężka praca. Niektóre plemiona mielą ziarno ręcznie: ułóż pszenicę na jednym kamieniu, przykryj drugim płaskim i okrągłym kamieniem i zakręćkamień młyński. Ale jeśli musisz zmielić mąkę dla całej wioski, nie możesz tego zrobić samą pracą mięśni. Początkowo ludzie domyślali się, że przywiążą zwierzę pociągowe do kamienia młyńskiego. Osioł pociągnął za linę - kamień się obrócił. Wtedy pewnie ludzie pomyśleli: „Rzeka płynie cały czas, popycha w dół różne rzeczy. Dlaczego nie wykorzystamy tego na dobre?” Tak powstały młyny wodne.
Koło, woda, wiatr
Oczywiście pierwsi inżynierowie, którzy zbudowali te konstrukcje, nie wiedzieli nic o sile grawitacji, dzięki której woda zawsze ma tendencję do opadania, ani o sile tarcia czy napięciu powierzchniowym. Ale zobaczyli: jeśli umieścisz koło z ostrzami na średnicy w strumieniu lub rzece, to nie tylko będzie się obracać, ale także będzie mogło wykonywać użyteczną pracę.
Ale nawet ten mechanizm był ograniczony: nie wszędzie jest bieżąca woda o wystarczającej sile prądu. Więc ludzie ruszyli dalej. Zbudowali młyny napędzane wiatrem.
Węgiel, olej opałowy, benzyna
Kiedy naukowcy zrozumieli zasadę wzbudzania elektryczności, postawiono zadanie techniczne: uzyskać ją na skalę przemysłową. W tym czasie (połowa XIX wieku) na świecie panowała gorączka maszyn. Całą trudną pracę starali się powierzyć powiększającej się parze.
Ale wtedy tylko paliwa kopalne, węgiel i olej opałowy, były w stanie podgrzewać duże ilości wody. Dlatego te regiony świata, które były bogate w dawne węgle, natychmiast przyciągnęły uwagę inwestorów i pracowników. A redystrybucja ludzi doprowadziła do rewolucji przemysłowej.
Holandia iTeksas
Jednak ten stan rzeczy miał zły wpływ na środowisko. A naukowcy pomyśleli: jak zdobyć energię bez niszczenia przyrody? Uratowany dobrze zapomniany stary. Młyn wykorzystywał moment obrotowy do bezpośredniej, zgrubnej pracy mechanicznej. Turbiny elektrowni wodnych obracają magnesy.
Obecnie najczystsza energia elektryczna pochodzi z energii wiatrowej. Inżynierowie, którzy zbudowali pierwsze generatory w Teksasie, czerpali z doświadczeń wiatraków w Holandii.
