Tänään puhumme englantilaisen fyysikon Faradayn kokemuksista ja sähkömagneettisen induktion merkityksestä nykymaailmassa.
Aurinko, salama, tulivuori
Muinaiset ihmiset palvoivat käsittämätöntä. Puhumme ajoista, jolloin edistynein keksintö oli kyky yhdistää keppi ja kivi yksinkertaiseksi työkaluksi. Auringon päivittäiselle kurssille, kuun vaiheille, tulivuorille, salaman ja ukkonen esiintymiselle ei ollut selitystä.
Ukkosmyrskyjen kanssa ihmiskunnalla on erillinen romaani. Tuli karkoitti pimeyden, antoi turvallisuuden tunteen, inspiroi löytöjä. Ja tiedemiehet ehdottavat, että ensimmäinen hallittu tuli luotiin salaman sytyttämästä puusta.
vasara ja magneetti
Hieman myöhemmin ihmiset oppivat käyttämään lämpöä metallin sulattamiseen. Ensimmäiset vahvat työkalut ilmestyivät, jotka auttoivat valloittamaan ympäröivän luonnon. Pelkästään kokeilemalla eri mestarit luultavasti törmäsivät epätavallisiin ja outoihin tapauksiin. Esimerkiksi yksi raudanpala voi yhtäkkiä liikkua toisen läsnä ollessa (magnetismi). 1800-luvulla nämä ilmiöt selitettiin Faradayn kokeilla (sähkömagneettinen induktio nykyisessä mielessä syntyi juuri silloin).
Tiede jakuninkaat
Sähkövirta on ollut tiedossa jo pitkään. He osasivat Michelangelon aikana erottaa raudan lasista elektroneja johtavien ominaisuuksien perusteella. Mutta 1800-luvun alkuun asti tätä ilmiötä pidettiin yksinomaan hauskana ilmiönä. Lisäksi tiedemiehiä on aina sponsoroinut varakas hyväntekijä - kreivi, herttua tai kuningas. Ja kuten tiedätte, sijoitetun rahan olisi pitänyt maksaa itsensä takaisin. Joten fyysikkojen ja kemistien täytyi työskennellä niin, että aatelisen sotilaallinen voima kasvoi, hän sai enemmän voittoa tai nautti kirkkaasta spektaakkelista.
Joitakin kokeita näytettiin vieraille merkkinä rahan omistajan vallasta. Galileo nimesi löytämänsä Jupiterin kuut suojelijansa Medicin kunniaksi. Näin kävi sähkön kanssa. Faradayn kokeet vahvistivat sähkömagneettisen induktion kokeellisesti. Mutta ennen häntä oli Oerstedin opintoja.
Sähkö vai magneetti?
Magnettia (kompassin pääosa) käyttivät merimiehet, jotka löysivät Amerikan, Australian ja tien Intiaan. Sähkö oli mielenkiintoista. Vuonna 1820 tanskalainen tiedemies Hans Christian Oersted osoitti johtimien magneettisten ja sähköisten ominaisuuksien välisen yhteyden. Hänen kokeilunsa oli Faradayn kokeen, sähkömagneettisen induktion ilmiön ja kaiken, mikä seurasi noiden vuosien löydöistä, edeltäjä.
Oersted otti lineaarisen johtimen (paksun langan) ja asetti magneettisen neulan sen alle. Kun tiedemies käynnisti virran, magneetin navat siirtyivät: nuoli seisoi kohtisuorassa johtimeen nähden. Fyysikko toisti kokeen monta kertaa,muutti kokeen geometriaa ja virran suuntaa johtimessa. Tulos oli sama: magneettineulan napojen sijainti oli aina sama suhteessa elektronien liikevektoriin. Nyt tämä kokemus näyttää hyvin yksinkertaiselta ja ymmärrettävältä. Mutta löydöllä oli kauaskantoisia seurauksia: Oersted osoitti suoran yhteyden sähkö- ja magneettikenttien välillä.
Omaisuussuhde
Mutta jos sähkövirta kykeni vaikuttamaan magneettiin, niin magneetti voisi saada elektronit liikkumaan? Tämän Faraday yritti todistaa kokeella, jonka kuvauksen annamme nyt.
Tutkija kiersi langan spiraaliksi (käämiksi), liitti siihen virranilmaisimen ja toi rakenteeseen magneetin. Mittarin neula välkkyi. Kokemus osoittautui onnistuneeksi. Jatkossa Michael Faraday sovelsi erilaisia lähestymistapoja ja selvitti: jos magneetin sijasta otamme yhden kelan ja viritämme siihen virran, niin virta ilmestyy myös viereiseen kelaan. Vuorovaikutus on vielä tehokkaampaa, kun molempien kierteiden kierrosten sisään työnnetään johtava ydin.
Sähkömagneettisen induktion laki
Faradayn induktiolaki suljetulle piirille ilmaistaan kaavalla: ε=-dΦ / dt.
Tässä ε on sähkömotorinen voima, joka saa elektronit liikkumaan johtimessa (lyhennettynä EMF), Φ on tietyn alueen läpi kulkevan magneettivuon suuruus, ja t on aika.
Tämä kaava on differentiaalinen. Tämä tarkoittaa, että EMF on laskettava kaikille pienille ajanjaksoille käyttämällä pieniä alueen paloja. MUTTAkokonaissähkömotorisen voiman saamiseksi tulos on laskettava yhteen.
Kaavan miinus johtuu Lenzin säännöstä. Siinä lukee: Induktio-emf on suunnattu niin, että jännittynyt virta estää virtaussuunnan muutoksen.
Tämä sääntö on melko helppo selittää esimerkillä: kun ensimmäisen kelan virta kasvaa, myös toisen kelan virta kasvaa; kun ensimmäisen kelan virta pienenee, myös indusoitunut heikkenee.
Faradayn lain soveltaminen
Moderni elämä on mahdotonta kuvitella ilman sähköä. The Day the Earth Stood Still -elokuvassa Keanu Reevesin hahmo muuttaa ihmiskunnan historian kulkua sammuttamalla generaattorit. Emme puhu nyt tämän tapahtuman mekanismeista. Fiktio antaa mielikuvitukselle vapaat kädet, mutta ei kuvaile mahdollisuuksia. Mutta tällaisen ilmiön seuraukset olisivat todella maailmanlaajuiset: kaupunkien infrastruktuurin tuhoutumisesta nälänhätään. Ihmisten olisi itse asiassa rakennettava uudelleen sivilisaationsa sopeutuakseen olemassaoloon ilman sähköä.
Monet tieteiskirjailijat käyttävät hyväkseen globaalin katastrofin juonen. Sähkökatkon lisäksi syyt tällaiseen suureen muutokseen ovat:
- ulkomainen hyökkäys;
- väärä bakteriologinen koe;
- vahingossa löydetty fysikaalinen laki, joka muuttaa aineen rakennetta (esimerkiksi jää-9);
- ydinsota tai -katastrofi;
- ihmisten evoluution harppaus (uusi ihmiskunta ei yksinkertaisesti tarvitse teknologiaa).
Energianlähteiden haku onerillinen ihmisen toiminnan alue. Ihmiset käyttävät sähkön hankkimiseen fossiilisten luonnonvarojen, veden, tuulen, a altojen, maanalaisten lämpövesien lämpöä ja atomia. Kaikki asemat toimivat periaatteen ansiosta, jonka olemassaolon Faraday osoitti kokeissaan. Lisäksi sähköntuotantosuunnitelma ei eroa kovinkaan paljon hänen kokeestaan: tietty voima pyörittää v altavaa magneettia (roottoria), ja se puolestaan virittää virran keloissa.
Tietenkin ihmiset löysivät erinomaisen materiaalin ytimiin, oppivat tekemään v altavia keloja, eristämään käämityskerroksia toisistaan paljon paremmin. Mutta yleisesti ottaen moderni sivilisaatio seisoo Michael Faradayn elokuussa 1831 tuottaman kokemuksen varassa.
