Dzisiaj porozmawiamy o doświadczeniach Faradaya, angielskiego fizyka, oraz o znaczeniu indukcji elektromagnetycznej we współczesnym świecie.
Słońce, błyskawice, wulkan
Starożytni ludzie czcili niezrozumiałe. Mówimy o czasach, kiedy najbardziej zaawansowanym wynalazkiem była umiejętność łączenia kija i kamienia w proste narzędzie. Nie było wytłumaczenia dla dziennego biegu Słońca, faz Księżyca, wulkanów, występowania piorunów i grzmotów.
Dzięki burzom ludzkość ma osobną powieść. Ogień rozpraszał ciemność, dawał poczucie bezpieczeństwa, inspirował do odkryć. A naukowcy sugerują, że pierwszy kontrolowany ogień powstał z drewna podpalonego przez piorun.
Młotek i magnes
Nieco później ludzie nauczyli się używać ciepła do topienia metalu. Pojawiły się pierwsze silne narzędzia, które pomogły podbić otaczającą przyrodę. Posługując się wyłącznie eksperymentem, różni mistrzowie prawdopodobnie natknęli się na niezwykłe i dziwne incydenty. Na przykład jeden kawałek żelaza może nagle poruszyć się w obecności drugiego (magnetyzm). W XIX wieku zjawiska te zostały wyjaśnione eksperymentami Faradaya (właśnie wtedy powstała indukcja elektromagnetyczna we współczesnym znaczeniu).
Nauka ikrólowie
Prąd elektryczny jest znany od dawna. W czasach Michała Anioła wiedzieli, jak odróżnić żelazo od szkła dzięki właściwości przewodzenia elektronów. Ale do początku XIX wieku zjawisko to uważano wyłącznie za zabawne zjawisko. Ponadto naukowcom zawsze sponsorował zamożny filantrop – hrabia, książę czy król. A zainwestowane pieniądze, jak wiesz, powinny się opłacić. Tak więc fizycy i chemicy musieli pracować w taki sposób, aby potęga militarna szlachcica wzrastała, uzyskiwał większe zyski lub cieszył się jasnym widowiskiem.
Niektóre eksperymenty zostały pokazane gościom jako znak władzy właściciela pieniędzy. Galileusz nazwał księżyce Jowisza, które odkrył na cześć swojego patrona, Medyceuszy. Tak było z elektrycznością. Eksperymenty Faradaya potwierdziły eksperymentalnie indukcję elektromagnetyczną. Ale przed nim były studia Oersteda.
Elektryczne czy magnetyczne?
Magnes (główna część kompasu) był używany przez żeglarzy, którzy odkryli Amerykę, Australię i drogę do Indii. Elektryczność była ciekawą zabawą. W 1820 r. duński naukowiec Hans Christian Oersted udowodnił związek między magnetycznymi i elektrycznymi właściwościami przewodników. Jego eksperyment był prekursorem eksperymentu Faradaya, zjawiska indukcji elektromagnetycznej i wszystkiego, co wynikło z odkryć tamtych lat.
Więc Oersted wziął liniowy przewodnik (gruby drut) i umieścił pod nim igłę magnetyczną. Kiedy naukowiec uruchomił prąd, bieguny magnesu przesunęły się: strzałka stała prostopadle do przewodnika. Fizyk wielokrotnie powtarzał eksperyment,zmienił geometrię eksperymentu i kierunek prądu w przewodniku. Wynik był taki sam: położenie biegunów igły magnetycznej było zawsze takie samo względem wektora ruchu elektronów. Teraz to doświadczenie wydaje się bardzo proste i zrozumiałe. Ale odkrycie miało dalekosiężne konsekwencje: Oersted udowodnił bezpośredni związek między polami elektrycznymi i magnetycznymi.
Powiązanie własności
Ale jeśli prąd elektryczny był w stanie wpłynąć na magnes, to magnes mógł spowodować ruch elektronów? To właśnie Faraday próbował udowodnić eksperymentem, którego opis podamy teraz.
Naukowiec zwinął drut w spiralę (cewkę), podłączył do niego urządzenie wykrywające prąd i przyniósł magnes do konstrukcji. Igła licznika zamigotała. Doświadczenie okazało się udane. W przyszłości Michael Faraday zastosował różne podejścia i dowiedział się: jeśli zamiast magnesu weźmiemy jedną cewkę i wzbudzimy w niej prąd, to prąd pojawi się również w sąsiedniej cewce. Interakcja jest jeszcze bardziej efektywna, gdy rdzeń przewodzący jest włożony wewnątrz zwojów obu helis.
Prawo indukcji elektromagnetycznej
Prawo indukcji Faradaya dla obwodu zamkniętego wyraża się wzorem: ε=-dΦ / dt.
Tutaj ε jest siłą elektromotoryczną, która powoduje ruch elektronów w przewodniku (w skrócie EMF), Φ jest wielkością strumienia magnetycznego, który aktualnie przechodzi przez dany obszar, a t to czas.
Ta formuła jest różnicowa. Oznacza to, że pole elektromagnetyczne powinno być obliczane dla wszystkich krótkich okresów czasu przy użyciu małych kawałków powierzchni. ALEaby uzyskać całkowitą siłę elektromotoryczną, wynik należy zsumować.
Minus we wzorze wynika z reguły Lenza. Brzmi on: Indukcja emf jest skierowana tak, że zasilany prąd blokuje zmianę kierunku przepływu.
Zasadę tę można dość łatwo wyjaśnić na przykładzie: gdy prąd w pierwszej cewce wzrośnie, prąd w drugiej również wzrośnie; gdy prąd w pierwszej cewce zmniejszy się, indukowana również słabnie.
Stosowanie prawa Faradaya
Współczesne życie jest niewyobrażalne bez elektryczności. W „Dzień, w którym zatrzymała się ziemia”, postać Keanu Reevesa zmienia bieg historii ludzkości, wyłączając generatory. Nie będziemy teraz rozmawiać o mechanizmach tego incydentu. Fikcja daje upust wyobraźni, ale nie opisuje możliwości. Ale konsekwencje takiego zjawiska byłyby naprawdę globalne: od zniszczenia infrastruktury miejskiej po głód. Ludzie faktycznie musieliby odbudować swoją cywilizację, aby przystosować się do egzystencji bez elektryczności.
Wielu autorów science fiction wykorzystuje fabułę globalnej katastrofy. Oprócz przerwy w dostawie prądu, powody tak dużej zmiany to:
- zagraniczna inwazja;
- niewłaściwy eksperyment bakteriologiczny;
- przypadkowe odkrycie prawa fizycznego, które zmienia strukturę materii (na przykład lód-9);
- wojna nuklearna lub katastrofa;
- ewolucyjny skok ludzi (nowa ludzkość po prostu nie potrzebuje technologii).
Wyszukiwanie źródeł energii jestodrębny obszar działalności człowieka. Ludzie wykorzystują energię zasobów kopalnych, wody, wiatru, fal, ciepła podziemnych wód termalnych i atomu do pozyskiwania elektryczności. Wszystkie stacje działają dzięki zasadzie, której istnienie udowodnił w swoich eksperymentach Faraday. Co więcej, schemat generowania elektryczności nie różni się zbytnio od jego eksperymentu: pewna siła obraca ogromny magnes (wirnik), a to z kolei wzbudza prąd w cewkach.
Oczywiście ludzie znaleźli doskonały materiał na rdzenie, nauczyli się robić ogromne szpule, znacznie lepiej izolować od siebie warstwy uzwojeń. Ale ogólnie rzecz biorąc, współczesna cywilizacja opiera się na doświadczeniu Michaela Faradaya w sierpniu 1831 roku.
