Astăzi vom dezvălui un astfel de fenomen al fizicii precum „legea inducției electromagnetice”. Vă vom spune de ce Faraday a efectuat experimente, vă vom oferi o formulă și vă vom explica importanța fenomenului pentru viața de zi cu zi.
Zei antici și fizica
Oamenii antici se închinau necunoscutului. Și acum unui om se teme de adâncurile mării și de distanța spațiului. Dar știința poate explica de ce. Submarinele surprind viața incredibilă a oceanelor la o adâncime de peste un kilometru, telescoapele spațiale studiază obiecte care au existat la doar câteva milioane de ani după Big Bang.
Dar apoi oamenii au îndumnezeit tot ceea ce i-a fascinat și deranjat:
- răsărit;
- trezirea plantelor primăvara;
- ploaie;
- naștere și moarte.
În fiecare obiect și fenomen trăiau forțe necunoscute care conduceau lumea. Până acum, copiii au tendința de a umaniza mobilierul și jucăriile. Lăsați nesupravegheați de adulți, ei fantezează: o pătură se va îmbrățișa, un taburet se va potrivi, fereastra se va deschide singură.
Poate că primul pas evolutiv al omenirii a fost capacitatea de a se menținefocul. Antropologii sugerează că cele mai vechi incendii au fost aprinse de la un copac lovit de fulger.
Astfel, electricitatea a jucat un rol imens în viața omenirii. Primul fulger a dat impuls dezvoltării culturii, legea de bază a inducției electromagnetice a adus omenirea în starea prezentă.
De la oțet la reactorul nuclear
În piramida lui Keops au fost găsite vase ciudate de ceramică: gâtul este sigilat cu ceară, un cilindru metalic este ascuns în adâncuri. Pe interiorul pereților s-au găsit resturi de oțet sau vin acru. Oamenii de știință au ajuns la o concluzie senzațională: acest artefact este o baterie, o sursă de electricitate.
Dar până în 1600 nimeni nu s-a angajat să studieze acest fenomen. Înainte de a muta electronii, a fost explorată natura electricității statice. Grecii antici știau că chihlimbarul dă descărcări dacă este frecat de blană. Culoarea acestei pietre le-a amintit de lumina stelei Electra din Pleiade. Iar numele mineralului a devenit, la rândul său, motivul de botez al fenomenului fizic.
Prima sursă de curent continuu primitivă a fost construită în 1800
Desigur, de îndată ce a apărut un condensator suficient de puternic, oamenii de știință au început să studieze proprietățile conductorului conectat la acesta. În 1820, omul de știință danez Hans Christian Oersted a descoperit că un ac magnetic deviază lângă un conductor inclus în rețea. Acest fapt a dat impuls descoperirii legii inducției electromagnetice de către Faraday (formula va fi dată mai jos), care a permis omenirii să extragăelectricitate din apă, vânt și combustibil nuclear.
Primitiv, dar modern
Baza fizică a experimentelor lui Max Faraday a fost pusă de Oersted. Dacă un conductor comutat afectează un magnet, atunci este și opusul adevărat: un conductor magnetizat trebuie să inducă un curent.
Structura experimentului care a ajutat la derivarea legii inducției electromagnetice (EMF ca concept pe care îl vom lua în considerare puțin mai târziu) a fost destul de simplă. Un fir bobinat într-un arc este conectat la un dispozitiv care înregistrează curentul. Omul de știință a adus un magnet mare la bobine. În timp ce magnetul se mișca lângă circuit, dispozitivul a înregistrat fluxul de electroni.
Tehnica s-a îmbunătățit de atunci, dar principiul de bază al creării de electricitate la stațiile uriașe este în continuare același: un magnet în mișcare excită un curent într-un conductor înfășurat de un arc.
Dezvoltarea ideii
Prima experiență l-a convins pe Faraday că câmpurile electrice și magnetice sunt interconectate. Dar era necesar să se afle exact cum. Un câmp magnetic apare și în jurul unui conductor care poartă curent sau pur și simplu sunt capabili să se influențeze unul pe celăl alt? Prin urmare, omul de știință a mers mai departe. A înfășurat un fir, a adus curent în el și a împins această bobină într-un alt arc. Și a primit și electricitate. Această experiență a demonstrat că electronii în mișcare creează nu numai un câmp electric, ci și un câmp magnetic. Mai târziu, oamenii de știință și-au dat seama cum sunt situate în spațiu unul față de celăl alt. Câmpul electromagnetic este, de asemenea, motivul pentru care existălumină.
Experimentând cu diferite opțiuni pentru interacțiunea conductoarelor sub tensiune, Faraday a descoperit că curentul este cel mai bine transmis dacă atât prima, cât și a doua bobină sunt înfășurate pe un miez metalic comun. Formula care exprimă legea inducției electromagnetice a fost derivată pe acest dispozitiv.
Formula și componentele sale
Acum că istoria studiului electricității a fost adusă la experimentul Faraday, este timpul să scriem formula:
ε=-dΦ / dt.
Descifrare:
ε este forța electromotoare (EMF pe scurt). În funcție de valoarea lui ε, electronii se mișcă mai intens sau mai slab în conductor. Puterea sursei afectează EMF, iar intensitatea câmpului electromagnetic îl afectează.
Φ este mărimea fluxului magnetic care trece în prezent printr-o zonă dată. Faraday a înfăşurat firul într-un arc, pentru că avea nevoie de un anumit spaţiu prin care să treacă conductorul. Desigur, ar fi posibil să se facă un conductor foarte gros, dar asta ar fi scump. Omul de știință a ales forma cercului deoarece această figură plată are cel mai mare raport dintre suprafață și lungimea suprafeței. Aceasta este cea mai eficientă formă energetică. Prin urmare, picăturile de apă de pe o suprafață plană devin rotunde. În plus, un arc cu secțiune rotundă este mult mai ușor de obținut: trebuie doar să înfășurați firul în jurul unui fel de obiect rotund.
t este timpul necesar fluxului pentru a trece prin buclă.
Prefixul d din formula legii inducției electromagnetice înseamnă că valoarea este diferențială. i.eun mic flux magnetic trebuie diferenţiat pe intervale de timp mici pentru a obţine rezultatul final. Această acțiune matematică necesită o anumită pregătire din partea oamenilor. Pentru a înțelege mai bine formula, încurajăm cu tărie cititorul să-și amintească diferențierea și integrarea.
Consecințele legii
Imediat după descoperirea lui Faraday, fizicienii au început să investigheze fenomenul inducției electromagnetice. Legea lui Lenz, de exemplu, a fost derivată experimental de un om de știință rus. Această regulă a adăugat un minus formulei finale.
El arată așa: direcția curentului de inducție nu este întâmplătoare; fluxul de electroni în a doua înfășurare tinde să reducă efectul curentului în prima înfășurare. Adică, apariția inducției electromagnetice este de fapt rezistența celui de-al doilea arc la interferența în „viața personală”.
Regula lui Lenz are o altă consecință.
- dacă curentul din prima bobină va crește, atunci și curentul celui de-al doilea arc va tinde să crească;
- dacă scade curentul din înfășurarea inductoare, va scădea și curentul din a doua înfășurare.
Conform acestei reguli, un conductor în care apare un curent indus tinde de fapt să compenseze efectul unui flux magnetic în schimbare.
Creabe și măgar
Folosește cele mai simple mecanisme în beneficiul lor, oamenii se străduiesc de mult timp. Măcinarea făinii este o muncă grea. Unele triburi macină cerealele cu mâna: pun grâul pe o piatră, se acoperă cu o altă piatră plată și rotundă și se învârteștepiatră de moară. Dar dacă trebuie să măcinați făină pentru un sat întreg, atunci nu o puteți face doar cu munca musculară. La început, oamenii au ghicit să lege un animal de tracțiune de piatra de moară. Măgarul a tras frânghia - piatra s-a rotit. Atunci, probabil, oamenii s-au gândit: „Râul curge tot timpul, împinge tot felul de lucruri în aval. De ce nu-l folosim pentru bine? Așa au apărut morile de apă.
Roată, apă, vânt
Desigur, primii ingineri care au construit aceste structuri nu știau nimic despre forța gravitației, din cauza căreia apa tinde mereu să cadă, nici despre forța de frecare sau tensiunea superficială. Dar au văzut: dacă puneți o roată cu lame pe un diametru într-un pârâu sau un râu, atunci nu numai că se va roti, dar va putea și face o muncă utilă.
Dar chiar și acest mecanism era limitat: nu peste tot există apă curgătoare cu suficientă putere de curent. Așa că oamenii au trecut mai departe. Au construit mori care erau alimentate de vânt.
Cărbune, păcură, benzină
Când oamenii de știință au înțeles principiul excitației electricității, a fost stabilită o sarcină tehnică: obținerea acesteia la scară industrială. La acea vreme (mijlocul secolului al XIX-lea) lumea era într-o febră a mașinilor. Au încercat să încredințeze toată munca dificilă perechii în expansiune.
Dar atunci numai combustibilii fosili, cărbunele și păcură, au putut încălzi cantități mari de apă. Prin urmare, acele regiuni ale lumii care erau bogate în carbon vechi au atras imediat atenția investitorilor și lucrătorilor. Iar redistribuirea oamenilor a dus la revoluția industrială.
Olanda șiTexas
Cu toate acestea, această stare de lucruri a avut un efect negativ asupra mediului. Și oamenii de știință s-au gândit: cum să obțineți energie fără a distruge natura? Salvat bine uitat vechi. Moara folosea cuplul pentru a face direct lucrări mecanice brute. Turbinele centralelor hidroelectrice rotesc magneți.
În prezent, cea mai curată energie electrică provine din energia eoliană. Inginerii care au construit primele generatoare în Texas s-au bazat pe experiența morilor de vânt din Olanda.
