Täna räägime inglise füüsiku Faraday kogemusest ja elektromagnetilise induktsiooni tähtsusest tänapäeva maailmas.
Päike, välk, vulkaan
Muistsed inimesed kummardasid arusaamatut. Räägime aegadest, mil kõige arenenum leiutis oli oskus ühendada pulk ja kivi lihtsaks tööriistaks. Päikese igapäevase kulgemise, Kuu faaside, vulkaanide, välgu ja äikese esinemise kohta polnud seletust.
Äikesetormidega on inimkonnal omaette romaan. Tuli hajutas pimeduse, andis turvatunde, inspireeris avastusi. Ja teadlased viitavad sellele, et esimene kontrollitud tuli tekkis välgu poolt süüdatud puidust.
Haamer ja magnet
Veidi hiljem õppisid inimesed metalli sulatamiseks soojust kasutama. Ilmusid esimesed tugevad tööriistad, mis aitasid vallutada ümbritsevat loodust. Eksperimendi teel komistasid erinevad meistrid ilmselt ebatavaliste ja kummaliste juhtumite otsa. Näiteks võib üks rauatükk teise juuresolekul ootamatult liikuda (magnetism). 19. sajandil selgitati neid nähtusi Faraday katsetega (tänapäevases mõttes tekkis elektromagnetiline induktsioon just siis).
Teadus jakuningad
Elektrivool on tuntud juba pikka aega. Nad teadsid, kuidas Michelangelo ajal eristada rauda klaasist elektronide juhtivuse järgi. Kuid kuni üheksateistkümnenda sajandi alguseni peeti seda nähtust eranditult naljakaks nähtuseks. Lisaks on teadlasi alati sponsoreerinud mõni jõukas filantroop – krahv, hertsog või kuningas. Ja investeeritud raha, nagu teate, oleks pidanud end ära tasuma. Seega pidid füüsikud ja keemikud töötama nii, et aadliku sõjaline jõud kasvaks, ta saaks rohkem kasumit või naudiks eredat vaatemängu.
Mõnda katset näidati külalistele rahaomaniku võimu märgiks. Galileo nimetas Jupiteri kuud, mille ta avastas, oma patrooni Medici auks. Nii oli ka elektriga. Faraday katsed kinnitasid elektromagnetilist induktsiooni eksperimentaalselt. Kuid enne teda olid Oerstedi õpingud.
Elektriline või magnetiline?
Magnetit (kompassi põhiosa) kasutasid meremehed, kes avastasid Ameerika, Austraalia ja tee Indiasse. Elekter oli huvitav lõbus. 1820. aastal tõestas Taani teadlane Hans Christian Oersted juhtide magnetiliste ja elektriliste omaduste seost. Tema eksperiment oli Faraday katse, elektromagnetilise induktsiooni nähtuse ja kõige selle, mis nende aastate avastustest järgnes, eelkäija.
Nii, Oersted võttis lineaarse juhtme (jäme traadi) ja asetas selle alla magnetnõela. Kui teadlane voolu käivitas, nihkusid magneti poolused: nool seisis juhiga risti. Füüsik kordas katset mitu korda,muutis katse geomeetriat ja voolu suunda juhis. Tulemus oli sama: magnetnõela pooluste asukoht oli elektronide liikumisvektori suhtes alati sama. Nüüd tundub see kogemus väga lihtne ja arusaadav. Kuid avastusel olid kaugeleulatuvad tagajärjed: Oersted tõestas otsest seost elektri- ja magnetvälja vahel.
Varasuhe
Aga kui elektrivool suutis magnetit mõjutada, siis võib magnet panna elektronid liikuma? Seda püüdis Faraday tõestada katsega, mille kirjelduse me nüüd anname.
Teadlane keris traadi spiraaliks (pooliks), ühendas sellega voolu tuvastava seadme ja tõi konstruktsiooni külge magneti. Arvesti nõel väreles. Kogemus osutus edukaks. Edaspidi rakendas Michael Faraday erinevaid lähenemisi ja sai teada: kui võtame magneti asemel ühe mähise ja ergastame selles voolu, siis tekib vool ka kõrval olevasse mähisesse. Koostoime on veelgi tõhusam, kui mõlema spiraali keerdudesse sisestatakse juhtiv südamik.
Elektromagnetilise induktsiooni seadus
Faraday suletud ahela induktsiooniseadust väljendatakse valemiga: ε=-dΦ / dt.
Siin ε on elektromotoorjõud, mis paneb elektronid juhis liikuma (lühendatult EMF), Φ on antud ala läbiva magnetvoo suurus ja t on aeg.
See valem on erinev. See tähendab, et EMF tuleks arvutada kõigi väikeste ajavahemike jaoks, kasutades väikeseid ala tükke. AGAkogu elektromotoorjõu saamiseks tuleb tulemus summeerida.
Miinus valemis tuleneb Lenzi reeglist. See on järgmine: Induktsiooni emf on suunatud nii, et pingestatud vool blokeerib voolu suuna muutumise.
Seda reeglit on üsna lihtne seletada näitega: kui esimeses mähises vool suureneb, suureneb vool ka teises; kui vool esimeses mähises väheneb, nõrgeneb ka indutseeritud vool.
Faraday seaduse rakendamine
Kaasaegne elu on mõeldamatu ilma elektrita. Filmis The Day the Earth Stood Still muudab Keanu Reevesi tegelaskuju inimkonna ajaloo kulgu, lülitades generaatorid välja. Selle juhtumi mehhanismidest me praegu ei räägi. Ilukirjandus annab fantaasiale vabad käed, kuid ei kirjelda võimalusi. Kuid sellise nähtuse tagajärjed oleksid tõeliselt globaalsed: linna infrastruktuuri hävitamisest näljahädani. Inimesed peaksid tegelikult oma tsivilisatsiooni uuesti üles ehitama, et kohaneda ilma elektrita.
Paljud ulmeautorid kasutavad ülemaailmse katastroofi süžeed ära. Lisaks elektrikatkestusele on sellise olulise muudatuse põhjused järgmised:
- välismaa invasioon;
- vale bakterioloogiline katse;
- füüsikalise seaduse juhuslik avastamine, mis muudab aine struktuuri (näiteks jää-9);
- tuumasõda või katastroof;
- inimeste evolutsiooniline hüpe (uus inimkond lihts alt ei vaja tehnoloogiat).
Energiaallikate otsimine oneraldiseisev inimtegevuse valdkond. Inimesed kasutavad elektri saamiseks fossiilsete ressursside energiat, vett, tuult, laineid, maa-aluste termaalvete soojust ja aatomit. Kõik jaamad töötavad tänu põhimõttele, mille olemasolu Faraday oma katsetega tõestas. Pealegi ei erine elektritootmise skeem tema katsest liiga palju: teatud jõud pöörab tohutut magnetit (rootorit) ja see omakorda ergastab mähistes voolu.
Muidugi leidsid inimesed südamike jaoks suurepärase materjali, õppisid tegema tohutuid pooli, eraldama mähiskihte üksteisest palju paremini. Kuid üldiselt toetub kaasaegne tsivilisatsioon kogemusele, mille Michael Faraday andis augustis 1831.
