Dnes odhalíme taký fenomén fyziky, akým je „zákon elektromagnetickej indukcie“. Povieme vám, prečo Faraday robil experimenty, poskytneme vzorec a vysvetlíme dôležitosť tohto javu pre každodenný život.
Staroveký bohovia a fyzika
Starí ľudia uctievali nepoznané. A teraz sa človek bojí hlbín mora a diaľky vesmíru. Ale veda vie vysvetliť prečo. Ponorky zachytávajú neuveriteľný život oceánov v hĺbke viac ako kilometer, vesmírne teleskopy študujú objekty, ktoré existovali len niekoľko miliónov rokov po veľkom tresku.
Potom však ľudia zbožštili všetko, čo ich fascinovalo a znepokojovalo:
- sunrise;
- prebúdzajúce sa rastliny na jar;
- rain;
- narodenie a smrť.
V každom objekte a jave žili neznáme sily, ktoré vládli svetu. Doteraz deti skôr poľudšťovali nábytok a hračky. Keď ich ponechajú bez dozoru dospelých, fantazírujú: deka sa objíme, stolička sa zmestí, okno sa samo otvorí.
Asi prvým evolučným krokom ľudstva bola schopnosť udržiavať saoheň. Antropológovia predpokladajú, že prvé požiare boli zapálené zo stromu zasiahnutého bleskom.
Elektrina teda zohrala obrovskú úlohu v živote ľudstva. Prvý blesk dal impulz rozvoju kultúry, základný zákon elektromagnetickej indukcie priviedol ľudstvo do súčasného stavu.
Z octu do jadrového reaktora
V Cheopsovej pyramíde sa našli zvláštne keramické nádoby: hrdlo je zapečatené voskom, v hĺbke je skrytý kovový valec. Na vnútornej strane stien sa našli zvyšky octu či kyslého vína. Vedci prišli k senzačnému záveru: tento artefakt je batéria, zdroj elektriny.
Do roku 1600 sa však nikto nezaviazal študovať tento jav. Pred pohybom elektrónov sa skúmala povaha statickej elektriny. Starovekí Gréci vedeli, že jantár vydáva výboje, ak sa trení o srsť. Farba tohto kameňa im pripomínala svetlo hviezdy Electra z Plejád. A názov minerálu sa stal dôvodom na pokrstenie fyzikálneho javu.
Prvý primitívny zdroj jednosmerného prúdu bol vyrobený v roku 1800
Samozrejme, hneď ako sa objavil dostatočne výkonný kondenzátor, vedci začali skúmať vlastnosti vodiča, ktorý je k nemu pripojený. V roku 1820 dánsky vedec Hans Christian Oersted zistil, že magnetická ihla sa odchýlila vedľa vodiča zahrnutého v sieti. Táto skutočnosť dala podnet k objaveniu zákona elektromagnetickej indukcie Faradayom (vzorec bude uvedený nižšie), ktorý umožnil ľudstvu extrahovaťelektrina z vody, vetra a jadrového paliva.
Primitívne, ale moderné
Fyzický základ experimentov Maxa Faradaya položil Oersted. Ak spínaný vodič pôsobí na magnet, platí to aj naopak: zmagnetizovaný vodič musí indukovať prúd.
Štruktúra experimentu, ktorý pomohol odvodiť zákon elektromagnetickej indukcie (EMF ako koncept, ktorému sa budeme venovať trochu neskôr), bola celkom jednoduchá. Drôt navinutý do pružiny je pripojený k zariadeniu, ktoré registruje prúd. Vedec priniesol k cievkam veľký magnet. Kým sa magnet pohyboval vedľa obvodu, zariadenie zaregistrovalo tok elektrónov.
Technika sa odvtedy zlepšila, ale základný princíp výroby elektriny na obrovských staniciach je stále rovnaký: pohybujúci sa magnet vybudí prúd vo vodiči navinutom pružinou.
Vývoj nápadu
Úplne prvá skúsenosť presvedčila Faradaya, že elektrické a magnetické polia sú vzájomne prepojené. Bolo však potrebné zistiť, ako presne. Vzniká magnetické pole aj okolo vodiča s prúdom, alebo sa jednoducho vedia navzájom ovplyvňovať? Vedec preto zašiel ďalej. Navinul jeden drôt, priviedol k nemu prúd a vtlačil túto cievku do ďalšej pružiny. A dostal aj elektrinu. Táto skúsenosť dokázala, že pohybujúce sa elektróny vytvárajú nielen elektrické, ale aj magnetické pole. Neskôr vedci prišli na to, ako sa navzájom nachádzajú vo vesmíre. Elektromagnetické pole je tiež dôvodom, prečo existujesvetlo.
Pri experimentovaní s rôznymi možnosťami interakcie živých vodičov Faraday zistil, že prúd sa najlepšie prenáša, ak sú prvá aj druhá cievka navinuté na jednom spoločnom kovovom jadre. Vzorec vyjadrujúci zákon elektromagnetickej indukcie bol odvodený na tomto zariadení.
Vzorec a jeho zložky
Teraz, keď sa história štúdia elektriny dostala do Faradayovho experimentu, je čas napísať vzorec:
ε=-dΦ / dt.
Dešifrovať:
ε je elektromotorická sila (skrátene EMF). V závislosti od hodnoty ε sa elektróny vo vodiči pohybujú intenzívnejšie alebo slabšie. Výkon zdroja ovplyvňuje EMF a sila elektromagnetického poľa ho ovplyvňuje.
Φ je veľkosť magnetického toku, ktorý práve prechádza danou oblasťou. Faraday skrútil drôt do pružiny, pretože potreboval určitý priestor, cez ktorý by vodič prechádzal. Samozrejme, bolo by možné vyrobiť veľmi hrubý vodič, ale to by bolo drahé. Vedec zvolil tvar kruhu, pretože táto plochá postava má najväčší pomer plochy k dĺžke povrchu. Toto je energeticky najefektívnejšia forma. Preto sa kvapky vody na rovnom povrchu zaguľatia. Navyše, pružinu s okrúhlou časťou je možné získať oveľa jednoduchšie: stačí omotať drôt okolo nejakého okrúhleho predmetu.
t je čas, ktorý toku trvalo prejsť slučkou.
Predpona d vo vzorci zákona elektromagnetickej indukcie znamená, že hodnota je diferenciálna. T.jmalý magnetický tok musí byť diferencovaný v malých časových intervaloch, aby sa dosiahol konečný výsledok. Táto matematická akcia si vyžaduje od ľudí určitú prípravu. Aby sme lepšie porozumeli vzorcu, dôrazne odporúčame čitateľovi pripomenúť si diferenciáciu a integráciu.
Dôsledky zákona
Hneď po Faradayovom objave začali fyzici skúmať fenomén elektromagnetickej indukcie. Lenzov zákon napríklad experimentálne odvodil ruský vedec. Práve toto pravidlo pridalo ku konečnému vzorcu mínus.
Vyzerá takto: smer indukčného prúdu nie je náhodný; tok elektrónov v druhom vinutí má tendenciu znižovať účinok prúdu v prvom vinutí. To znamená, že výskyt elektromagnetickej indukcie je vlastne odpor druhej pružiny voči interferencii v "osobnom živote".
Lenzovo pravidlo má ďalší následok.
- ak sa zvýši prúd v prvej cievke, potom sa bude zvyšovať aj prúd druhej pružiny;
- ak klesne prúd v indukčnom vinutí, zníži sa aj prúd v druhom vinutí.
Podľa tohto pravidla má vodič, v ktorom sa vyskytuje indukovaný prúd, v skutočnosti tendenciu kompenzovať vplyv meniaceho sa magnetického toku.
Zrno a somár
Používajte najjednoduchšie mechanizmy vo svoj vlastný prospech, o čo sa ľudia snažia už dlho. Mletie múky je náročná práca. Niektoré kmene melú obilie ručne: položte pšenicu na jeden kameň, prikryte druhým plochým a okrúhlym kameňom a otočtemlynský kameň. Ale ak potrebujete mlieť múku pre celú dedinu, nemôžete to urobiť iba svalovou prácou. Ľudia spočiatku hádali, že k mlynskému kameňu priviažu ťažné zviera. Osol potiahol lano - kameň sa otočil. Potom si ľudia pravdepodobne mysleli: „Rieka neustále tečie, tlačí všetky druhy vecí po prúde. Prečo to nepoužijeme na dobro? Takto vznikli vodné mlyny.
Koleso, voda, vietor
Prví inžinieri, ktorí stavali tieto stavby, samozrejme nevedeli nič o sile gravitácie, kvôli ktorej má voda vždy tendenciu padať, ani o sile trenia či povrchového napätia. Ale videli: ak vložíte koleso s lopatkami na priemer do potoka alebo rieky, bude sa nielen otáčať, ale bude tiež schopné vykonávať užitočnú prácu.
Aj tento mechanizmus bol však obmedzený: nie všade je tečúca voda s dostatočnou silou prúdu. Ľudia sa teda pohli ďalej. Postavili mlyny, ktoré poháňal vietor.
Uhlie, vykurovací olej, benzín
Keď vedci pochopili princíp budenia elektriny, bola stanovená technická úloha: získať ju v priemyselnom meradle. V tom čase (v polovici devätnásteho storočia) bol svet v horúčke strojov. Všetku náročnú prácu sa snažili zveriť rozširujúcej sa dvojici.
Vtedy však iba fosílne palivá, uhlie a vykurovací olej, dokázali ohriať veľké objemy vody. Preto tie regióny sveta, ktoré boli bohaté na staré uhlíky, okamžite pritiahli pozornosť investorov a robotníkov. A prerozdelenie ľudí viedlo k priemyselnej revolúcii.
Holandsko aTexas
Tento stav však mal zlý vplyv na životné prostredie. A vedci si mysleli: ako získať energiu bez zničenia prírody? Zachránený dobre zabudnutý starý. Mlyn používal krútiaci moment na priamu hrubú mechanickú prácu. Turbíny vodných elektrární otáčajú magnety.
V súčasnosti najčistejšia elektrina pochádza z veternej energie. Inžinieri, ktorí postavili prvé generátory v Texase, čerpali zo skúseností veterných mlynov v Holandsku.
