Täna paljastame sellise füüsika nähtuse nagu "elektromagnetilise induktsiooni seadus". Me räägime teile, miks Faraday katseid läbi viis, anname valemi ja selgitame nähtuse tähtsust igapäevaelus.
Iidsed jumalad ja füüsika
Muistsed inimesed kummardasid tundmatut. Ja nüüd kardab mees meresügavust ja kosmosekaugust. Kuid teadus võib selgitada, miks. Allveelaevad jäädvustavad ookeanide uskumatut elu rohkem kui kilomeetri sügavusel, kosmoseteleskoobid uurivad objekte, mis eksisteerisid vaid paar miljonit aastat pärast suurt pauku.
Aga siis inimesed jumaldasid kõike, mis neid paelus ja häiris:
- päikesetõus;
- taimede ärkamine kevadel;
- vihm;
- sünd ja surm.
Igas objektis ja nähtuses elasid tundmatud jõud, mis valitsesid maailma. Siiani kipuvad lapsed mööblit ja mänguasju inimlikuks muutma. Täiskasvanute järelvalveta jättes nad fantaseerivad: tekk kallistab, taburet mahub, aken avaneb iseenesest.
Võib-olla oli inimkonna esimene samm evolutsioonis võime säilitadatulekahju. Antropoloogid arvavad, et kõige varasemad tulekahjud süüdati puult, millesse on tabanud välk.
Seega on elekter inimkonna elus mänginud tohutut rolli. Esimene välk andis tõuke kultuuri arengule, elektromagnetilise induktsiooni põhiseadus viis inimkonna praegusesse seisundisse.
Äädikast tuumareaktorini
Cheopsi püramiidist leiti kummalisi keraamilisi anumaid: kael on vahaga suletud, sügavusse on peidetud metallist silinder. Seinte siseküljelt leiti äädika või hapu veini jäänuseid. Teadlased on jõudnud sensatsioonilisele järeldusele: see artefakt on aku, elektriallikas.
Kuid kuni aastani 1600 ei võtnud keegi seda nähtust uurima. Enne elektronide liigutamist uuriti staatilise elektri olemust. Vanad kreeklased teadsid, et merevaigust tuleb eritist, kui seda hõõruda vastu karva. Selle kivi värv meenutas neile Plejaadidelt pärit Electra tähe valgust. Ja mineraali nimi sai omakorda põhjuseks füüsikalise nähtuse ristimiseks.
Esimene primitiivne alalisvooluallikas ehitati aastal 1800
Muidugi, niipea kui ilmus piisav alt võimas kondensaator, hakkasid teadlased uurima sellega ühendatud juhi omadusi. 1820. aastal avastas Taani teadlane Hans Christian Oersted, et võrku kuuluva juhtme kõrval kaldus kõrvale magnetnõel. See asjaolu andis tõuke Faraday elektromagnetilise induktsiooni seaduse avastamiseks (valem esitatakse allpool), mis võimaldas inimkonnal välja võttaelekter veest, tuulest ja tuumakütusest.
Primitiivne, kuid kaasaegne
Max Faraday katsete füüsilise aluse pani paika Oersted. Kui lülitatud juht mõjutab magnetit, siis on ka vastupidi: magnetiseeritud juht peab indutseerima voolu.
Eksperimendi struktuur, mis aitas tuletada elektromagnetilise induktsiooni seadust (EMF kui mõistet käsitleme veidi hiljem), oli üsna lihtne. Vedrusse keeratud traat on ühendatud seadmega, mis registreerib voolu. Teadlane tõi mähistele suure magneti. Kui magnet liikus vooluringi kõrval, registreeris seade elektronide voolu.
Tehnika on sellest ajast peale paranenud, kuid tohututes jaamades elektri loomise põhiprintsiip on endiselt sama: liikuv magnet ergastab vedruga mähitud juhis voolu.
Ideearendus
Esimene kogemus veenis Faraday, et elektri- ja magnetväljad on omavahel seotud. Aga oli vaja selgeks teha, kuidas täpselt. Kas magnetväli tekib ka voolu juhtiva juhtme ümber või on need lihts alt võimelised üksteist mõjutama? Seetõttu läks teadlane kaugemale. Ta keris ühe juhtme, tõi sinna voolu ja lükkas selle mähise teise vedrusse. Ja sai ka elektri. See kogemus tõestas, et liikuvad elektronid ei loo mitte ainult elektri-, vaid ka magnetvälja. Hiljem said teadlased aru, kuidas nad üksteise suhtes ruumis paiknevad. Elektromagnetväli on ka põhjus, miks see onkerge.
Katsetades erinevaid pinge all olevate juhtide interaktsiooni võimalusi, avastas Faraday, et voolu edastatakse kõige paremini, kui nii esimene kui ka teine pool on keritud ühele ühisele metallsüdamikule. Sellel seadmel tuletati elektromagnetilise induktsiooni seadust väljendav valem.
Valem ja selle komponendid
Nüüd, kui elektri uurimise ajalugu on toodud Faraday eksperimendi juurde, on aeg kirjutada valem:
ε=-dΦ / dt.
Dešifreerimine:
ε on elektromotoorjõud (lühid alt EMF). Sõltuv alt ε väärtusest liiguvad elektronid juhis intensiivsem alt või nõrgem alt. Allika võimsus mõjutab EMF-i ja elektromagnetvälja tugevus mõjutab seda.
Φ on antud ala läbiva magnetvoo suurus. Faraday keeras traadi vedruks, sest tal oli vaja teatud ruumi, millest juht läbi läheks. Muidugi oleks võimalik teha väga jäme juht, aga see läheks kalliks maksma. Teadlane valis ringi kuju, kuna sellel tasasel kujundil on suurim pindala ja pinna pikkuse suhe. See on kõige energiasäästlikum vorm. Seetõttu muutuvad tasasel pinnal olevad veepiisad ümaraks. Lisaks on ümmarguse sektsiooniga vedru palju lihtsam hankida: peate lihts alt traadi mingi ümmarguse eseme ümber kerima.
t on aeg, mis kulus voolul ahela läbimiseks.
Eesliide d elektromagnetilise induktsiooni seaduse valemis tähendab, et väärtus on diferentsiaal. Stlõpptulemuse saamiseks tuleb väikeste ajavahemike jooksul eristada väikest magnetvoogu. See matemaatiline toiming nõuab inimestelt teatud ettevalmistust. Valemi paremaks mõistmiseks soovitame lugejal tungiv alt meelde tuletada eristamist ja integreerimist.
Seaduse tagajärjed
Kohe pärast Faraday avastust hakkasid füüsikud elektromagnetilise induktsiooni nähtust uurima. Näiteks Lenzi seaduse tuletas eksperimentaalselt üks vene teadlane. Just see reegel lisas lõplikule valemile miinuse.
Ta näeb välja selline: induktsioonivoolu suund ei ole juhuslik; elektronide vool teises mähises kipub justkui vähendama voolu mõju esimeses mähises. See tähendab, et elektromagnetilise induktsiooni esinemine on tegelikult teise vedru vastupidavus sekkumisele "isiklikus elus".
Lenzi reeglil on veel üks tagajärg.
- kui esimese pooli vool suureneb, siis kipub suurenema ka teise vedru vool;
- kui vool indutseerivas mähises langeb, väheneb ka vool teises mähises.
Selle reegli kohaselt kaldub juht, milles tekib indutseeritud vool, muutuva magnetvoo mõju kompenseerima.
Teravili ja eesel
Kasutage enda hüvanguks lihtsamaid mehhanisme, inimesed on juba pikka aega püüdnud. Jahu jahvatamine on raske töö. Mõned hõimud jahvatavad vilja käsitsi: panevad nisu ühele kivile, katavad teise lameda ja ümara kiviga ja keerutavadveskikivi. Aga kui on vaja jahvatada terve küla jahu, siis ainult lihaste tööga seda teha ei saa. Algul arvasid inimesed veskikivi külge siduda veolooma. Eesel tõmbas köit – kivi pöörles. Siis arvatavasti arvati: “Jõgi voolab kogu aeg, ajab igasuguseid asju allavoolu. Miks me ei kasuta seda heaks? Nii tekkisid vesiveskid.
Ratas, vesi, tuul
Muidugi ei teadnud esimesed insenerid, kes need konstruktsioonid ehitasid, midagi ei gravitatsioonijõust, mille mõjul vesi kipub alati langema, ega ka hõõrdejõust ega pindpinevusest. Kuid nad nägid: kui asetate teradega ratta läbimõõduga ojasse või jõkke, siis see mitte ainult ei pöörle, vaid suudab ka kasulikku tööd teha.
Kuid isegi see mehhanism oli piiratud: mitte igal pool ei ole piisava voolutugevusega voolavat vett. Nii et inimesed liikusid edasi. Nad ehitasid tuule jõul töötavaid veskeid.
Süsi, kütteõli, bensiin
Kui teadlased mõistsid elektrienergia ergastamise põhimõtet, püstitati tehniline ülesanne: hankida see tööstuslikus mastaabis. Sel ajal (19. sajandi keskel) oli maailm masinate palavikus. Nad püüdsid usaldada kogu raske töö laienevale paarile.
Kuid siis suutsid suures koguses vett soojendada ainult fossiilkütused, kivisüsi ja kütteõli. Seetõttu tõmbasid need maailma piirkonnad, mis olid rikkad iidse süsiniku poolest, kohe investorite ja töötajate tähelepanu. Ja inimeste ümberjagamine viis tööstusrevolutsioonini.
Holland jaTexas
Siiski mõjus selline olukord keskkonnale halvasti. Ja teadlased mõtlesid: kuidas saada energiat ilma loodust hävitamata? Päästetud hästi unustatud vana. Veski kasutas pöördemomenti otseselt töötlemata mehaanilise töö tegemiseks. Hüdroelektrijaamade turbiinid pöörlevad magneteid.
Praegu tuleb kõige puhtam elekter tuuleenergiast. Texases esimesed generaatorid ehitanud insenerid kasutasid Hollandi tuuleveskite kogemust.
