Tänään paljastamme sellaisen fysiikan ilmiön kuin "sähkömagneettisen induktion lain". Kerromme, miksi Faraday teki kokeita, annamme kaavan ja selitämme ilmiön merkityksen jokapäiväisessä elämässä.
Muinaiset jumalat ja fysiikka
Muinaiset ihmiset palvoivat tuntematonta. Ja nyt mies pelkää meren syvyyksiä ja avaruuden etäisyyttä. Mutta tiede voi selittää miksi. Sukellusveneet vangitsevat v altamerten uskomatonta elämää yli kilometrin syvyydessä, avaruusteleskoopit tutkivat kohteita, jotka olivat olemassa vain muutama miljoona vuotta alkuräjähdyksen jälkeen.
Mutta sitten ihmiset jumalautuivat kaiken, mikä kiehtoi ja häiritsi heitä:
- auringonnousu;
- heräävät kasvit keväällä;
- sade;
- syntymä ja kuolema.
Jokaisessa esineessä ja ilmiössä asuivat tuntemattomat voimat, jotka hallitsivat maailmaa. Tähän asti lapset ovat yleensä inhimillistäneet huonekaluja ja leluja. Aikuisten vartioimatta jääneet haaveilevat: viltti halaa, jakkara sopii, ikkuna aukeaa itsestään.
Ehkä ihmiskunnan ensimmäinen evoluution askel oli kyky säilyttäätuli. Antropologit ehdottavat, että varhaisimmat tulipalot sytytettiin salaman osumasta puusta.
Sähköllä on siis ollut v altava rooli ihmiskunnan elämässä. Ensimmäinen salama antoi sysäyksen kulttuurin kehitykselle, sähkömagneettisen induktion peruslaki toi ihmiskunnan nykytilaan.
Etikasta ydinreaktoriin
Kheopsin pyramidista löydettiin outoja keraamisia astioita: kaula on sinetöity vahalla, metallisylinteri on piilotettu syvyyksiin. Seinien sisäpuolelta löytyi etikan tai hapanviinin jäänteitä. Tiedemiehet ovat tulleet sensaatiomaiseen johtopäätökseen: tämä esine on akku, sähkön lähde.
Mutta vuoteen 1600 asti kukaan ei ryhtynyt tutkimaan tätä ilmiötä. Ennen elektronien siirtämistä tutkittiin staattisen sähkön luonnetta. Muinaiset kreikkalaiset tiesivät, että meripihkaa vuotaa, jos sitä hierotaan turkista vasten. Tämän kiven väri muistutti heitä Plejadeilta tulevan Electran tähden valosta. Ja mineraalin nimestä tuli puolestaan syy kastaa fyysinen ilmiö.
Ensimmäinen primitiivinen tasavirtalähde rakennettiin vuonna 1800
Tietenkin heti kun riittävän tehokas kondensaattori ilmestyi, tutkijat alkoivat tutkia siihen kytketyn johtimen ominaisuuksia. Vuonna 1820 tanskalainen tiedemies Hans Christian Oersted havaitsi, että magneettineula poikkesi verkkoon kuuluvan johtimen vieressä. Tämä tosiasia antoi sysäyksen Faradayn sähkömagneettisen induktion lain löytämiselle (kaava annetaan alla), mikä antoi ihmiskunnalle mahdollisuuden poimiasähköä vedestä, tuulesta ja ydinpolttoaineesta.
Primitiivinen mutta moderni
Max Faradayn kokeiden fyysisen perustan loi Oersted. Jos kytketty johdin vaikuttaa magneetiin, on myös päinvastoin: magnetisoidun johtimen on indusoitava virta.
Kokeen rakenne, joka auttoi johtamaan sähkömagneettisen induktion lain (EMF käsitteenä, jota tarkastellaan hieman myöhemmin), oli melko yksinkertainen. Jouseen kierretty lanka on kytketty laitteeseen, joka rekisteröi virran. Tiedemies toi suuren magneetin keloihin. Kun magneetti liikkui piirin vieressä, laite rekisteröi elektronien virran.
Tekniikka on parantunut sen jälkeen, mutta perusperiaate sähkön tuottamisessa suurilla asemilla on edelleen sama: liikkuva magneetti virittää virran jousella kierrettyyn johtimeen.
Ideakehitys
Ensimmäinen kokemus sai Faradayn vakuuttuneeksi siitä, että sähkö- ja magneettikentät liittyvät toisiinsa. Mutta piti selvittää tarkasti, miten. Syntyykö magneettikenttä myös virtaa kuljettavan johtimen ympärille vai voivatko ne vain vaikuttaa toisiinsa? Siksi tiedemies meni pidemmälle. Hän kääri yhden johdon, toi siihen virran ja työnsi tämän kelan toiseen jouseen. Ja hän sai myös sähköä. Tämä kokemus osoitti, että liikkuvat elektronit luovat paitsi sähköisen myös magneettikentän. Myöhemmin tutkijat selvittivät, kuinka ne sijaitsevat avaruudessa suhteessa toisiinsa. Sähkömagneettinen kenttä on myös syy siihenvalo.
Kokeillessaan erilaisia jännitteisten johtimien vuorovaikutusvaihtoehtoja Faraday havaitsi, että virta kulkee parhaiten, jos sekä ensimmäinen että toinen kela on kääritty yhdelle yhteiselle metallisydämelle. Sähkömagneettisen induktion lakia ilmaiseva kaava johdettiin tällä laitteella.
Kaava ja sen komponentit
Nyt kun sähköntutkimuksen historia on tuotu Faradayn kokeeseen, on aika kirjoittaa kaava:
ε=-dΦ / dt.
Decipher:
ε on sähkömotorinen voima (lyhyesti EMF). ε:n arvosta riippuen elektronit liikkuvat voimakkaammin tai heikommin johtimessa. Lähteen teho vaikuttaa EMF:ään, ja sähkömagneettisen kentän voimakkuus vaikuttaa siihen.
Φ on tällä hetkellä tietyn alueen läpi kulkevan magneettivuon suuruus. Faraday kierti langan jouseksi, koska hän tarvitsi tietyn tilan, jonka läpi johdin kulkisi. Tietysti olisi mahdollista tehdä erittäin paksu johdin, mutta se olisi kallista. Tiedemies valitsi ympyrän muodon, koska tällä litteällä hahmolla on suurin pinta-alan suhde pinnan pituuteen. Tämä on energiatehokkain muoto. Siksi tasaisella pinnalla olevat vesipisarat muuttuvat pyöreiksi. Lisäksi jousi, jossa on pyöreä osa, on paljon helpompi hankkia: sinun tarvitsee vain kiertää lanka jonkin pyöreän esineen ympärille.
t on aika, joka kului virtauksen kulkemiseen silmukan läpi.
Etuliite d sähkömagneettisen induktion lain kaavassa tarkoittaa, että arvo on differentiaalinen. Elipieni magneettivuo on erotettava pienillä aikaväleillä lopullisen tuloksen saamiseksi. Tämä matemaattinen toiminta vaatii ihmisiltä jonkin verran valmistautumista. Kaavan ymmärtämiseksi paremmin kehotamme lukijaa muistamaan eriyttämisen ja integroinnin.
Lain seuraukset
Välittömästi Faradayn löydön jälkeen fyysikot alkoivat tutkia sähkömagneettisen induktion ilmiötä. Esimerkiksi Lenzin lain johti kokeellisesti venäläinen tiedemies. Tämä sääntö lisäsi miinuksen lopulliseen kaavaan.
Hän näyttää tältä: induktiovirran suunta ei ole sattumanvarainen; elektronien virtaus toisessa käämissä pyrkii ikään kuin vähentämään virran vaikutusta ensimmäisessä käämissä. Eli sähkömagneettisen induktion esiintyminen on itse asiassa toisen jousen vastus "henkilökohtaisen elämän" häiriöille.
Lenzin säännöllä on toinen seuraus.
- jos ensimmäisen kelan virta kasvaa, niin myös toisen jousen virta kasvaa;
- jos indusoivan käämin virta laskee, myös toisen käämin virta pienenee.
Tämän säännön mukaan johdin, jossa esiintyy indusoitunutta virtaa, pyrkii itse asiassa kompensoimaan muuttuvan magneettivuon vaikutusta.
Vilja ja aasi
Käytä yksinkertaisimpia mekanismeja omaksi hyödykseen, ihmiset ovat pyrkineet pitkään. Jauhojen jauhaminen on kovaa työtä. Jotkut heimot jauhavat viljaa käsin: laittavat vehnää yhdelle kivelle, peittävät toisella litteällä ja pyöreällä kivellä ja pyörittelevätmyllynkivi. Mutta jos sinun täytyy jauhaa jauhoja koko kylää varten, et voi tehdä sitä pelkällä lihastyöllä. Aluksi ihmiset arvelivat sitovan myllynkiveen vetoeläimen. Aasi veti köyttä - kivi pyöri. Sitten luultavasti ihmiset ajattelivat: "Joki virtaa koko ajan, se työntää kaikenlaista alavirtaan. Miksi emme käyttäisi sitä hyvään?" Näin vesimyllyt ilmestyivät.
Pyörä, vesi, tuuli
Ensimmäiset näitä rakenteita rakentaneet insinöörit eivät tietenkään tienneet mitään painovoimasta, jonka johdosta vedellä aina on taipumus pudota, eivätkä kitkavoimasta tai pintajännitysvoimasta. Mutta he näkivät: jos laitat pyörän halkaisij altaan puroon tai jokeen, se ei vain pyöri, vaan pystyy myös tekemään hyödyllistä työtä.
Mutta tämäkin mekanismi oli rajallinen: kaikkialla ei ole riittävän voimakasta juoksevaa vettä. Joten ihmiset lähtivät eteenpäin. He rakensivat myllyjä, jotka toimivat tuulella.
Hiili, polttoöljy, bensiini
Kun tiedemiehet ymmärsivät sähkön virityksen periaatteen, asetettiin tekninen tehtävä: saada se teollisessa mittakaavassa. Tuohon aikaan (1800-luvun puolivälissä) maailma oli koneiden kuumeessa. He yrittivät uskoa kaiken vaikean työn laajentuvalle parille.
Mutta silloin vain fossiiliset polttoaineet, kivihiili ja polttoöljy, pystyivät lämmittämään suuria määriä vettä. Siksi ne maailman alueet, jotka olivat runsaasti muinaisia hiilejä, herättivät välittömästi sijoittajien ja työntekijöiden huomion. Ja ihmisten uudelleenjako johti teolliseen vallankumoukseen.
Hollanti jaTexas
Tällä asiaintilalla oli kuitenkin huono vaikutus ympäristöön. Ja tutkijat ajattelivat: kuinka saada energiaa tuhoamatta luontoa? Pelastettu hyvin unohdettu vanha. Tehdas käytti vääntömomenttia suoraan karkeisiin mekaanisiin töihin. Vesivoimalaitosten turbiinit pyörittävät magneetteja.
Tällä hetkellä puhtain sähkö tulee tuulivoimasta. Teksasissa ensimmäiset generaattorit rakentaneet insinöörit hyödynsivät Hollannin tuulimyllyistä saatuja kokemuksia.
