Dnes budeme hovoriť o skúsenostiach anglického fyzika Faradaya a o dôležitosti elektromagnetickej indukcie v modernom svete.
Slnko, blesky, sopka
Starí ľudia uctievali nepochopiteľné. Hovoríme o časoch, keď najpokročilejším vynálezom bola schopnosť spojiť palicu a kameň do jednoduchého nástroja. Neexistovalo žiadne vysvetlenie pre denný chod Slnka, fázy Mesiaca, sopky, výskyt bleskov a hromov.
S búrkami má ľudstvo samostatný román. Oheň rozptýlil temnotu, dal pocit bezpečia, inšpiroval objavy. A vedci predpokladajú, že prvý kontrolovaný oheň vznikol z dreva zapáleného bleskom.
Kladivo a magnet
O niečo neskôr sa ľudia naučili využívať teplo na roztavenie kovu. Objavili sa prvé silné nástroje, ktoré pomohli dobyť okolitú prírodu. Rôzni majstri, ktorí postupovali výlučne experimentom, pravdepodobne narazili na nezvyčajné a zvláštne udalosti. Napríklad jeden kus železa sa môže náhle pohnúť v prítomnosti iného (magnetizmus). V devätnástom storočí boli tieto javy vysvetlené Faradayovými experimentmi (elektromagnetická indukcia v modernom zmysle vznikla práve vtedy).
Veda akráli
Elektrický prúd je známy už dlho. Vedeli rozlíšiť železo od skla vlastnosťou vedenia elektrónov v časoch Michelangela. Ale až do začiatku devätnásteho storočia bol tento fenomén považovaný výlučne za zábavný fenomén. Vedcov navyše vždy sponzoroval bohatý filantrop – gróf, vojvoda či kráľ. A investované peniaze, ako viete, sa mali vyplatiť. Fyzici a chemici teda museli pracovať tak, aby sa vojenská sila šľachtica zvýšila, získal väčší zisk alebo si užil žiarivé divadlo.
Niektoré experimenty boli hosťom ukázané ako znak moci majiteľa peňazí. Galileo pomenoval mesiace Jupitera, ktoré objavil na počesť svojho patróna Mediciovcov. Tak to bolo aj s elektrinou. Faradayove experimenty experimentálne potvrdili elektromagnetickú indukciu. Ale pred ním boli Oerstedove štúdiá.
Elektrické alebo magnetické?
Magnet (hlavná časť kompasu) používali námorníci, ktorí objavili Ameriku, Austráliu a cestu do Indie. Elektrina bola zaujímavá zábava. V roku 1820 dánsky vedec Hans Christian Oersted dokázal súvislosť medzi magnetickými a elektrickými vlastnosťami vodičov. Jeho experiment bol predchodcom Faradayovho experimentu, fenoménu elektromagnetickej indukcie a všetkého, čo nasledovalo po objavoch tých rokov.
Oersted teda vzal lineárny vodič (hrubý drôt) a umiestnil pod neho magnetickú ihlu. Keď vedec spustil prúd, póly magnetu sa posunuli: šípka stála kolmo na vodič. Fyzik zopakoval experiment mnohokrát,zmenil geometriu experimentu a smer prúdu vo vodiči. Výsledok bol rovnaký: umiestnenie pólov magnetickej ihly bolo vždy rovnaké vzhľadom na vektor pohybu elektrónov. Teraz sa táto skúsenosť zdá byť veľmi jednoduchá a zrozumiteľná. Ale objav mal ďalekosiahle dôsledky: Oersted dokázal priamy vzťah medzi elektrickým a magnetickým poľom.
Majetkový vzťah
Ak by však elektrický prúd dokázal ovplyvniť magnet, potom by magnet mohol spôsobiť pohyb elektrónov? To sa Faraday pokúsil dokázať experimentom, ktorého popis teraz uvedieme.
Vedec zvinul drôt do špirály (cievky), pripojil k nemu zariadenie na detekciu prúdu a priviedol ku konštrukcii magnet. Ručička merača zablikala. Skúsenosť sa ukázala ako úspešná. V budúcnosti Michael Faraday aplikoval rôzne prístupy a zistil: ak namiesto magnetu vezmeme jednu cievku a vybudíme v nej prúd, potom sa prúd objaví aj v susednej cievke. Interakcia je ešte efektívnejšia, keď sa do závitov oboch špirálok vloží vodivé jadro.
Zákon elektromagnetickej indukcie
Faradayov zákon indukcie pre uzavretý okruh je vyjadrený vzorcom: ε=-dΦ / dt.
E je elektromotorická sila, ktorá spôsobuje pohyb elektrónov vo vodiči (skrátene EMF), Φ je veľkosť magnetického toku, ktorý práve prechádza danou oblasťou, a t je čas.
Tento vzorec je diferenciálny. To znamená, že EMF by sa malo vypočítať pre všetky malé časové obdobia s použitím malých kúskov plochy. ALEna získanie celkovej elektromotorickej sily je potrebné sčítať výsledok.
Mínus vo vzorci je spôsobený Lenzovým pravidlom. Znie: Indukčné emf je nasmerované tak, že pod napätím prúd blokuje zmenu smeru toku.
Toto pravidlo je celkom jednoduché vysvetliť na príklade: keď sa zvýši prúd v prvej cievke, zvýši sa aj prúd v druhej; keď sa zníži prúd v prvej cievke, zoslabne aj indukovaný.
Uplatnenie Faradayovho zákona
Moderný život je nepredstaviteľný bez elektriny. V Deň, keď sa zastavila Zem, postava Keanu Reevesa zmení priebeh ľudských dejín vypnutím generátorov. O mechanizmoch tohto incidentu sa teraz baviť nebudeme. Beletria dáva voľný priechod fantázii, no neopisuje možnosti. Dôsledky takéhoto javu by však boli skutočne globálne: od zničenia mestskej infraštruktúry až po hladomor. Ľudia by skutočne museli prebudovať svoju civilizáciu, aby sa prispôsobili existencii bez elektriny.
Mnoho autorov sci-fi využíva zápletku globálnej katastrofy. Okrem výpadku prúdu sú dôvody takejto veľkej zmeny:
- zahraničná invázia;
- nesprávny bakteriologický experiment;
- náhodný objav fyzikálneho zákona, ktorý mení štruktúru hmoty (napríklad ľad-9);
- nukleárna vojna alebo katastrofa;
- evolučný skok ľudí (nové ľudstvo jednoducho nepotrebuje technológiu).
Vyhľadávanie zdrojov energie jesamostatná oblasť ľudskej činnosti. Ľudia využívajú energiu fosílnych zdrojov, vodu, vietor, vlny, teplo podzemných termálnych vôd a atóm na získavanie elektriny. Všetky stanice fungujú vďaka princípu, ktorého existenciu dokázal Faraday vo svojich pokusoch. Navyše, schéma výroby elektriny sa príliš nelíši od jeho experimentu: určitá sila otáča obrovský magnet (rotor) a ten zase budí prúd v cievkach.
Samozrejme, ľudia našli vynikajúci materiál na jadrá, naučili sa vyrábať obrovské cievky, oveľa lepšie od seba izolovať vrstvy vinutia. Vo všeobecnosti však moderná civilizácia stojí na skúsenostiach, ktoré vytvoril Michael Faraday v auguste 1831.
