I dag vil vi avsløre et slikt fenomen innen fysikk som "loven om elektromagnetisk induksjon". Vi vil fortelle deg hvorfor Faraday utførte eksperimenter, gi en formel og forklare betydningen av fenomenet for hverdagen.
Gamle guder og fysikk
Gamle mennesker tilbad det ukjente. Og nå er en mann redd for havets dyp og avstanden til rommet. Men vitenskapen kan forklare hvorfor. Ubåter fanger det utrolige livet i havene på mer enn en kilometers dyp, romteleskoper studerer objekter som eksisterte bare noen få millioner år etter big bang.
Men så guddommeliggjorde folk alt som fascinerte og forstyrret dem:
- sunrise;
- våknende planter om våren;
- regn;
- fødsel og død.
I alle gjenstander og fenomener bodde det ukjente krefter som styrte verden. Til nå har barn en tendens til å menneskeliggjøre møbler og leker. Uten tilsyn av voksne fantaserer de: et teppe vil klemme seg, en krakk vil passe, vinduet åpnes av seg selv.
Kanskje det første evolusjonære skrittet til menneskeheten var evnen til å opprettholdebrannen. Antropologer antyder at de tidligste brannene ble tent fra et tre som ble truffet av lynet.
Dermed har elektrisitet spilt en stor rolle i menneskehetens liv. Det første lynet ga impulser til utviklingen av kultur, den grunnleggende loven om elektromagnetisk induksjon brakte menneskeheten til den nåværende tilstanden.
Fra eddik til atomreaktor
Rare keramiske kar ble funnet i Cheops-pyramiden: halsen er forseglet med voks, en metallsylinder er skjult i dypet. På innsiden av veggene ble det funnet rester av eddik eller sur vin. Forskere har kommet til en oppsiktsvekkende konklusjon: denne artefakten er et batteri, en kilde til elektrisitet.
Men før 1600 tok ingen på seg å studere dette fenomenet. Før man flyttet elektroner, ble naturen til statisk elektrisitet utforsket. De gamle grekerne visste at rav gir utslipp hvis det gnis mot pels. Fargen på denne steinen minnet dem om lyset til stjernen Electra fra Pleiadene. Og navnet på mineralet ble på sin side grunnen til å døpe det fysiske fenomenet.
Den første primitive DC-kilden ble bygget i 1800
Selvfølgelig, så snart en tilstrekkelig kraftig kondensator dukket opp, begynte forskere å studere egenskapene til lederen koblet til den. I 1820 oppdaget den danske forskeren Hans Christian Oersted at en magnetisk nål avvek ved siden av en leder som var inkludert i nettverket. Dette faktum ga fart til oppdagelsen av loven om elektromagnetisk induksjon av Faraday (formelen vil bli gitt nedenfor), som tillot menneskeheten å trekke utelektrisitet fra vann, vind og kjernebrensel.
Primitivt, men moderne
Det fysiske grunnlaget for Max Faradays eksperimenter ble lagt av Oersted. Hvis en svitsjet leder påvirker en magnet, er det motsatte også sant: en magnetisert leder må indusere en strøm.
Strukturen av eksperimentet som bidro til å utlede loven om elektromagnetisk induksjon (EMF som et konsept vi skal ta for oss litt senere) var ganske enkel. En ledning viklet inn i en fjær er koblet til en enhet som registrerer strømmen. Forskeren brakte en stor magnet til spolene. Mens magneten beveget seg ved siden av kretsen, registrerte enheten strømmen av elektroner.
Teknikken har blitt bedre siden den gang, men det grunnleggende prinsippet for å lage elektrisitet på store stasjoner er fortsatt det samme: en magnet i bevegelse eksiterer en strøm i en leder viklet av en fjær.
Idéutvikling
Den aller første opplevelsen overbeviste Faraday om at elektriske og magnetiske felt er sammenkoblet. Men det var nødvendig å finne ut nøyaktig hvordan. Oppstår det også et magnetfelt rundt en strømførende leder, eller er de rett og slett i stand til å påvirke hverandre? Derfor gikk forskeren videre. Han viklet en ledning, førte strøm til den og dyttet denne spolen inn i en annen fjær. Og han fikk også strøm. Denne erfaringen viste at bevegelige elektroner ikke bare skaper et elektrisk, men også et magnetisk felt. Senere fant forskerne ut hvordan de er plassert i rommet i forhold til hverandre. Det elektromagnetiske feltet er også grunnen til at det er detlys.
Faraday eksperimenterte med ulike alternativer for samspillet mellom strømførende ledere og fant ut at strømmen overføres best hvis både den første og andre spolen er viklet på én felles metallkjerne. Formelen som uttrykker loven om elektromagnetisk induksjon ble utledet på denne enheten.
Formelen og dens komponenter
Nå som historien til studiet av elektrisitet er tatt med til Faraday-eksperimentet, er det på tide å skrive formelen:
ε=-dΦ / dt.
Dechiffrer:
ε er den elektromotoriske kraften (EMF forkortet). Avhengig av verdien av ε, beveger elektronene seg mer intensivt eller svakere i lederen. Kraften til kilden påvirker EMF, og styrken til det elektromagnetiske feltet påvirker den.
Φ er størrelsen på den magnetiske fluksen som passerer gjennom et gitt område. Faraday kveilet ledningen til en fjær, fordi han trengte et visst rom som lederen ville passere gjennom. Selvfølgelig ville det være mulig å lage en veldig tykk leder, men det ville bli dyrt. Forskeren valgte sirkelformen fordi denne flate figuren har det største forholdet mellom areal og overflatelengde. Dette er den mest energieffektive formen. Derfor blir vanndråper på en flat overflate runde. I tillegg er en fjær med rund seksjon mye lettere å få tak i: du trenger bare å vikle ledningen rundt en slags rund gjenstand.
t er tiden det tok strømmen å passere gjennom sløyfen.
Prefikset d i formelen til loven om elektromagnetisk induksjon betyr at verdien er differensial. Dvsen liten magnetisk fluks må differensieres over små tidsintervaller for å oppnå det endelige resultatet. Denne matematiske handlingen krever litt forberedelse fra folk. For å forstå formelen bedre, oppfordrer vi på det sterkeste leseren til å huske differensiering og integrasjon.
Konsekvenser av loven
Umiddelbart etter Faradays oppdagelse begynte fysikere å undersøke fenomenet elektromagnetisk induksjon. Lenz lov, for eksempel, ble eksperimentelt utledet av en russisk vitenskapsmann. Det var denne regelen som ga minus til den endelige formelen.
Han ser slik ut: retningen på induksjonsstrømmen er ikke tilfeldig; strømmen av elektroner i den andre viklingen har så å si en tendens til å redusere effekten av strømmen i den første viklingen. Det vil si at forekomsten av elektromagnetisk induksjon faktisk er motstanden til den andre fjæren mot forstyrrelser i "personlig liv".
Lenz sin regel har en annen konsekvens.
- hvis strømmen i den første spolen vil øke, vil strømmen til den andre fjæren også ha en tendens til å øke;
- hvis strømmen i den induserende viklingen synker, vil strømmen i den andre viklingen også avta.
I henhold til denne regelen har en leder der en indusert strøm oppstår faktisk en tendens til å kompensere for effekten av en skiftende magnetisk fluks.
Korn og esel
Bruk de enkleste mekanismene til egen fordel, folk har strevet lenge. Å male mel er hardt arbeid. Noen stammer maler korn for hånd: legg hvete på en stein, dekk med en annen flat og rund stein og snurrkvernstein. Men hvis du trenger å male mel for en hel landsby, kan du ikke gjøre det med muskelarbeid alene. Først gjettet folk å binde et trekkdyr til kvernsteinen. Eselet trakk i tauet - steinen roterte. Da tenkte nok folk: «Elven renner hele tiden, den skyver alt mulig nedstrøms. Hvorfor bruker vi det ikke for godt? Slik fremsto vannmøller.
Hjul, vann, vind
Selvfølgelig visste ikke de første ingeniørene som bygde disse strukturene noe om tyngdekraften, på grunn av hvilken vann alltid har en tendens til å falle, og heller ikke om friksjonskraften eller overflatespenningen. Men de så: Hvis du setter et hjul med blader på en diameter i en bekk eller elv, vil det ikke bare rotere, men også kunne gjøre nyttig arbeid.
Men selv denne mekanismen var begrenset: ikke over alt er det rennende vann med nok strømstyrke. Så folk gikk videre. De bygde møller som ble drevet av vinden.
Kull, fyringsolje, bensin
Da forskere forsto prinsippet om eksitasjon av elektrisitet, ble det satt en teknisk oppgave: å skaffe den i industriell skala. På den tiden (midten av det nittende århundre) var verden i en feber av maskiner. De prøvde å betro alt det vanskelige arbeidet til det ekspanderende paret.
Men da var det bare fossilt brensel, kull og fyringsolje, som var i stand til å varme opp store mengder vann. Derfor vakte de regionene i verden som var rike på eldgamle karboner umiddelbart oppmerksomheten til investorer og arbeidere. Og omfordelingen av mennesker førte til den industrielle revolusjonen.
Holland ogTexas
Denne tingenes tilstand hadde imidlertid en dårlig effekt på miljøet. Og forskerne tenkte: hvordan få energi uten å ødelegge naturen? Reddet godt glemt gammel. Bruket brukte dreiemoment for å utføre direkte grovmekanisk arbeid. Turbiner til vannkraftverk roterer magneter.
For øyeblikket kommer den reneste strømmen fra vindkraft. Ingeniørene som bygde de første generatorene i Texas trakk på erfaringene fra vindmøller i Holland.
