Idag kommer vi att avslöja ett sådant fysikfenomen som "lagen om elektromagnetisk induktion". Vi kommer att berätta varför Faraday genomförde experiment, ge en formel och förklara fenomenets betydelse för vardagen.
Forntida gudar och fysik
Forntida människor dyrkade det okända. Och nu är en man rädd för havets djup och rymdens avstånd. Men vetenskapen kan förklara varför. Ubåtar fångar det otroliga livet i haven på mer än en kilometers djup, rymdteleskop studerar föremål som existerade bara några miljoner år efter big bang.
Men sedan gudade folk allt som fascinerade och störde dem:
- soluppgång;
- väckande växter på våren;
- regn;
- födelse och död.
I varje föremål och fenomen bodde okända krafter som styrde världen. Fram till nu tenderar barn att humanisera möbler och leksaker. Lämnade utan uppsikt av vuxna fantiserar de: en filt kommer att kramas, en pall får plats, fönstret öppnas av sig själv.
Kanske mänsklighetens första evolutionära steg var förmågan att upprätthållaelden. Antropologer menar att de tidigaste eldarna tändes från ett träd som träffats av blixten.
Således har elektricitet spelat en stor roll i mänsklighetens liv. Den första blixten gav impulser till kulturens utveckling, grundlagen för elektromagnetisk induktion förde mänskligheten till det nuvarande tillståndet.
Från vinäger till kärnreaktor
Konstiga keramiska kärl hittades i Cheops-pyramiden: halsen är förseglad med vax, en metallcylinder är gömd i djupet. På insidan av väggarna hittades rester av vinäger eller surt vin. Forskare har kommit till en sensationell slutsats: denna artefakt är ett batteri, en källa till elektricitet.
Men fram till 1600 åtog sig ingen att studera detta fenomen. Innan elektroner flyttades undersöktes naturen av statisk elektricitet. De gamla grekerna visste att bärnsten ger utsläpp om den gnides mot pälsen. Färgen på denna sten påminde dem om ljuset från stjärnan Electra från Plejaderna. Och namnet på mineralet blev i sin tur anledningen till att döpa det fysiska fenomenet.
Den första primitiva DC-källan byggdes 1800
Naturligtvis, så snart en tillräckligt kraftfull kondensator dök upp, började forskare studera egenskaperna hos den ledare som var ansluten till den. År 1820 upptäckte den danske vetenskapsmannen Hans Christian Oersted att en magnetisk nål avvek bredvid en ledare som ingår i nätverket. Detta faktum gav fart till upptäckten av lagen om elektromagnetisk induktion av Faraday (formeln kommer att ges nedan), vilket gjorde det möjligt för mänskligheten att extraherael från vatten, vind och kärnbränsle.
Primitivt men modernt
Den fysiska grunden för Max Faradays experiment lades av Oersted. Om en omkopplad ledare påverkar en magnet, så gäller också motsatsen: en magnetiserad ledare måste inducera en ström.
Strukturen av experimentet som hjälpte till att härleda lagen om elektromagnetisk induktion (EMF som ett koncept som vi kommer att överväga lite senare) var ganska enkel. En tråd lindad i en fjäder är ansluten till en enhet som registrerar strömmen. Forskaren förde en stor magnet till spolarna. Medan magneten rörde sig bredvid kretsen registrerade enheten flödet av elektroner.
Tekniken har förbättrats sedan dess, men grundprincipen för att skapa elektricitet på enorma stationer är fortfarande densamma: en magnet i rörelse exciterar en ström i en ledare som är lindad av en fjäder.
Idéutveckling
Den allra första erfarenheten övertygade Faraday om att elektriska och magnetiska fält är sammankopplade. Men det var nödvändigt att ta reda på exakt hur. Uppstår även ett magnetfält runt en strömförande ledare, eller kan de helt enkelt påverka varandra? Därför gick forskaren längre. Han lindade en tråd, förde ström till den och tryckte in denna spole i en annan fjäder. Och han fick också el. Denna erfarenhet visade att rörliga elektroner skapar inte bara ett elektriskt utan också ett magnetiskt fält. Senare kom forskare på hur de är placerade i rymden i förhållande till varandra. Det elektromagnetiska fältet är också anledningen till att det finnsljus.
Faraday experimenterade med olika alternativ för interaktion mellan strömförande ledare och upptäckte att strömmen överförs bäst om både den första och andra spolen är lindade på en gemensam metallkärna. Formeln som uttrycker lagen för elektromagnetisk induktion härleddes på den här enheten.
Formeln och dess komponenter
Nu när historien om studier av elektricitet har tagits med till Faraday-experimentet, är det dags att skriva formeln:
ε=-dΦ / dt.
Dechiffrera:
ε är den elektromotoriska kraften (EMF förkortas). Beroende på värdet på ε rör sig elektronerna mer intensivt eller svagare i ledaren. Källans kraft påverkar EMF, och styrkan hos det elektromagnetiska fältet påverkar den.
Φ är storleken på det magnetiska flödet som för närvarande passerar genom ett givet område. Faraday lindade ihop tråden till en fjäder, eftersom han behövde ett visst utrymme genom vilket ledaren skulle passera. Visst skulle det gå att göra en väldigt tjock ledare, men det skulle bli dyrt. Forskaren valde cirkelformen eftersom denna platta figur har det största förhållandet mellan area och ytlängd. Detta är den mest energieffektiva formen. Därför blir vattendroppar på en plan yta runda. Dessutom är en fjäder med rund sektion mycket lättare att få: du behöver bara linda tråden runt något slags runt föremål.
t är tiden det tog flödet att passera genom slingan.
Prefixet d i formeln för lagen om elektromagnetisk induktion betyder att värdet är differentiellt. d.v.sett litet magnetiskt flöde måste differentieras över små tidsintervall för att erhålla det slutliga resultatet. Denna matematiska åtgärd kräver viss förberedelse från människor. För att bättre förstå formeln uppmuntrar vi starkt läsaren att komma ihåg differentiering och integration.
Konsekvenser av lagen
Omedelbart efter Faradays upptäckt började fysiker undersöka fenomenet elektromagnetisk induktion. Lenz lag, till exempel, härleddes experimentellt av en rysk vetenskapsman. Det var denna regel som lade ett minus till den slutliga formeln.
Han ser ut så här: induktionsströmmens riktning är inte oavsiktlig; flödet av elektroner i den andra lindningen, så att säga, tenderar att minska effekten av strömmen i den första lindningen. Det vill säga förekomsten av elektromagnetisk induktion är faktiskt den andra fjäderns motstånd mot störningar i "personligt liv".
Lenz regel har en annan konsekvens.
- om strömmen i den första spolen kommer att öka, kommer strömmen i den andra fjädern också att tendera att öka;
- om strömmen i den inducerande lindningen sjunker, kommer strömmen i den andra lindningen också att minska.
Enligt denna regel tenderar en ledare i vilken en inducerad ström uppstår faktiskt att kompensera för effekten av ett förändrat magnetiskt flöde.
Säd och åsna
Använd de enklaste mekanismerna för sin egen fördel, människor har strävat efter länge. Att mala mjöl är hårt arbete. Vissa stammar maler spannmål för hand: lägg vete på en sten, täck med en annan platt och rund sten och snurrakvarnsten. Men om du behöver mala mjöl för en hel by, kan du inte göra det med enbart muskelarbete. Till en början gissade man på att binda ett dragdjur till kvarnstenen. Åsnan drog i repet - stenen roterade. Då tänkte folk förmodligen:”Ån rinner hela tiden, den skjuter allt möjligt nedströms. Varför använder vi det inte för gott? Så här såg vattenkvarnar ut.
Hjul, vatten, vind
De första ingenjörerna som byggde dessa strukturer visste naturligtvis ingenting om tyngdkraften, på grund av vilken vatten alltid tenderar att falla, inte heller om friktionskraften eller ytspänningen. Men de såg: om du sätter ett hjul med blad på en diameter i en bäck eller flod, så kommer det inte bara att rotera, utan också kunna göra användbart arbete.
Men även denna mekanism var begränsad: inte överallt finns det rinnande vatten med tillräcklig strömstyrka. Så folk gick vidare. De byggde kvarnar som drevs av vinden.
Kol, eldningsolja, bensin
När forskare förstod principen om excitation av elektricitet, ställdes en teknisk uppgift: att skaffa den i industriell skala. Vid den tiden (mitten av artonhundratalet) var världen i en feber av maskiner. De försökte anförtro allt det svåra arbetet åt det expanderande paret.
Men då var det bara fossila bränslen, kol och eldningsolja, som kunde värma stora volymer vatten. Därför lockade de regioner i världen som var rika på forntida kol omedelbart investerarnas och arbetarnas uppmärksamhet. Och omfördelningen av människor ledde till den industriella revolutionen.
Holland ochTexas
Denna situation hade dock en dålig effekt på miljön. Och forskare tänkte: hur får man energi utan att förstöra naturen? Räddade väl bortglömda gamla. Bruket använde vridmoment för att utföra direkt grovmekaniskt arbete. Turbiner i vattenkraftverk roterar magneter.
För närvarande kommer den renaste elen från vindkraft. Ingenjörerna som byggde de första generatorerna i Texas drog på erfarenheten från väderkvarnar i Holland.
