Danas ćemo otkriti takav fenomen fizike kao što je "zakon elektromagnetske indukcije". Reći ćemo vam zašto je Faraday provodio eksperimente, dati formulu i objasniti važnost fenomena za svakodnevni život.
Drevni bogovi i fizika
Drevni ljudi obožavali su nepoznato. A sad se čovjek boji dubina mora i svemirske daljine. Ali znanost može objasniti zašto. Podmornice snimaju nevjerojatan život oceana na dubini većoj od jednog kilometra, svemirski teleskopi proučavaju objekte koji su postojali samo nekoliko milijuna godina nakon velikog praska.
Ali tada su ljudi oboženjavali sve što ih je fasciniralo i uznemiravalo:
- izlazak sunca;
- buđenje biljaka u proljeće;
- kiša;
- rođenje i smrt.
U svakom predmetu i pojavi živjele su nepoznate sile koje su vladale svijetom. Do sada su djeca sklona humaniziranju namještaja i igračaka. Ostavljeni bez nadzora odraslih, maštaju: deka će zagrliti, stolica će stati, prozor će se sam otvoriti.
Možda je prvi evolucijski korak čovječanstva bila sposobnost održavanjavatra. Antropolozi sugeriraju da su najranije vatre zapaljene iz drveta u koje je udario grom.
Dakle, električna energija je odigrala veliku ulogu u životu čovječanstva. Prva munja dala je poticaj razvoju kulture, osnovni zakon elektromagnetske indukcije doveo je čovječanstvo u današnje stanje.
Od octa do nuklearnog reaktora
U Keopsovoj piramidi pronađene su čudne keramičke posude: vrat je zapečaćen voskom, u dubini je skriven metalni cilindar. S unutarnje strane zidova pronađeni su ostaci octa ili kiselog vina. Znanstvenici su došli do senzacionalnog zaključka: ovaj artefakt je baterija, izvor električne energije.
No do 1600. nitko se nije obvezao proučavati ovaj fenomen. Prije pokretanja elektrona istražena je priroda statičkog elektriciteta. Stari Grci su znali da jantar daje iscjedak ako se trlja o krzno. Boja ovog kamena podsjetila ih je na svjetlost zvijezde Elektre s Plejada. A ime minerala postalo je, zauzvrat, razlog za krštenje fizičkog fenomena.
Prvi primitivni DC izvor izgrađen je 1800
Naravno, čim se pojavio dovoljno snažan kondenzator, znanstvenici su počeli proučavati svojstva vodiča spojenog na njega. 1820. danski znanstvenik Hans Christian Oersted otkrio je da magnetska igla odstupa pokraj vodiča uključenog u mrežu. Ova činjenica dala je poticaj Faradayevom otkriću zakona elektromagnetske indukcije (formula će biti navedena u nastavku), koji je omogućio čovječanstvu da izvučestruja iz vode, vjetra i nuklearnog goriva.
Primitivno, ali moderno
Fizičku osnovu eksperimenata Maxa Faradaya postavio je Oersted. Ako komutirani vodič utječe na magnet, tada vrijedi i suprotno: magnetizirani vodič mora inducirati struju.
Struktura eksperimenta koji je pomogao da se izvede zakon elektromagnetske indukcije (EMF kao koncept koji ćemo razmotriti malo kasnije) bila je prilično jednostavna. Žica namotana u oprugu spojena je na uređaj koji registrira struju. Znanstvenik je donio veliki magnet na zavojnice. Dok se magnet kretao pored kruga, uređaj je registrirao protok elektrona.
Tehnika se od tada poboljšala, ali osnovni princip stvaranja električne energije na ogromnim stanicama je i dalje isti: pokretni magnet pobuđuje struju u vodiču namotanom oprugom.
Razvoj ideja
Prvo iskustvo uvjerilo je Faradaya da su električna i magnetska polja međusobno povezana. Ali bilo je potrebno saznati kako točno. Nastaje li magnetsko polje i oko vodiča kroz koji teče struja ili oni jednostavno mogu utjecati jedno na drugo? Stoga je znanstvenik otišao dalje. Namotao je jednu žicu, doveo do nje struju i gurnuo ovu zavojnicu u drugu oprugu. A dobio je i struju. Ovo iskustvo je dokazalo da pokretni elektroni stvaraju ne samo električno nego i magnetsko polje. Kasnije su znanstvenici shvatili kako se nalaze u svemiru jedni u odnosu na druge. Elektromagnetno polje je također razlog zašto postojisvjetlo.
Eksperimentirajući s različitim opcijama za interakciju vodiča pod naponom, Faraday je otkrio da se struja najbolje prenosi ako su i prvi i drugi svitak namotani na jednu zajedničku metalnu jezgru. Formula koja izražava zakon elektromagnetske indukcije izvedena je na ovom uređaju.
Formula i njezine komponente
Sada kada je povijest proučavanja elektriciteta dovedena u Faradayev eksperiment, vrijeme je da napišemo formulu:
ε=-dΦ / dt.
Dešifriranje:
ε je elektromotorna sila (skraćeno EMF). Ovisno o vrijednosti ε, elektroni se u vodiču kreću intenzivnije ili slabije. Snaga izvora utječe na EMF, a jačina elektromagnetskog polja na njega.
Φ je veličina magnetskog toka koji trenutno prolazi kroz dano područje. Faraday je žicu smotao u oprugu, jer mu je trebao određeni prostor kroz koji će provodnik prolaziti. Naravno, bilo bi moguće napraviti vrlo debeo vodič, ali to bi bilo skupo. Znanstvenik je odabrao oblik kruga jer ova ravna figura ima najveći omjer površine i duljine površine. Ovo je energetski najučinkovitiji oblik. Stoga kapljice vode na ravnoj površini postaju okrugle. Osim toga, puno je lakše nabaviti oprugu okruglog presjeka: samo trebate namotati žicu oko nekog okruglog predmeta.
t je vrijeme potrebno protoku da prođe kroz petlju.
Prefiks d u formuli zakona elektromagnetske indukcije znači da je vrijednost diferencijalna. tjmali magnetski tok mora se razlikovati u malim vremenskim intervalima da bi se dobio konačni rezultat. Ova matematička radnja zahtijeva određenu pripremu od ljudi. Kako bismo bolje razumjeli formulu, snažno potičemo čitatelja da se prisjeti diferencijacije i integracije.
Posljedice zakona
Odmah nakon Faradayeva otkrića, fizičari su počeli istraživati fenomen elektromagnetske indukcije. Lenzov zakon, na primjer, eksperimentalno je izveo ruski znanstvenik. Upravo je ovo pravilo dodalo minus konačnoj formuli.
On izgleda ovako: smjer indukcijske struje nije slučajan; protok elektrona u drugom namotu, takoreći, nastoji smanjiti učinak struje u prvom namotu. Odnosno, pojava elektromagnetske indukcije je zapravo otpor druge opruge na smetnje u "osobnom životu".
Lenzovo pravilo ima još jednu posljedicu.
- ako će se struja u prvom svitku povećati, tada će i struja druge opruge također težiti porastu;
- ako struja u induktivnom namotu opadne, struja u drugom namotu će se također smanjiti.
Prema ovom pravilu, vodič u kojem se javlja inducirana struja zapravo nastoji kompenzirati učinak promjenjivog magnetskog toka.
Žito i magarac
Koristite najjednostavnije mehanizme u svoju korist, ljudi se već dugo trude. Mljevenje brašna je težak posao. Neka plemena melju žito ručno: stavite pšenicu na jedan kamen, prekrijte drugim ravnim i okruglim kamenom i zavrtitemlinski kamen. Ali ako trebate samljeti brašno za cijelo selo, onda to ne možete učiniti samo mišićnim radom. Isprva su ljudi pogađali vezati tegleću životinju za mlinski kamen. Magarac je povukao uže – kamen se okrenuo. Tada su, vjerojatno, ljudi pomislili: “Rijeka stalno teče, gura svašta nizvodno. Zašto ga ne bismo iskoristili za dobro? Ovako su se pojavili mlinovi.
Kolo, voda, vjetar
Naravno, prvi inženjeri koji su gradili ove građevine nisu znali ništa o sili gravitacije, zbog koje voda uvijek ima tendenciju pada, niti o sili trenja ili površinske napetosti. Ali vidjeli su: ako stavite kotač s oštricama na promjer u potoku ili rijeci, on neće samo rotirati, već će moći i obavljati koristan posao.
Ali čak je i ovaj mehanizam bio ograničen: ne postoji svugdje tekuća voda s dovoljno struje. Tako su ljudi krenuli dalje. Izgradili su mlinove koje je pokretao vjetar.
ugljen, lož ulje, benzin
Kada su znanstvenici shvatili princip pobuđivanja elektriciteta, postavljen je tehnički zadatak: dobiti ga u industrijskim razmjerima. U to vrijeme (sredina devetnaestog stoljeća) svijet je bio u groznici strojeva. Pokušali su sav težak posao povjeriti rastućem paru.
Ali tada su samo fosilna goriva, ugljen i lož ulje, mogla zagrijati velike količine vode. Stoga su one regije svijeta koje su bile bogate drevnim ugljikom odmah privukle pažnju investitora i radnika. A preraspodjela ljudi dovela je do industrijske revolucije.
Holandija iTexas
Međutim, ovakvo stanje loše je utjecalo na okoliš. I znanstvenici su razmišljali: kako dobiti energiju bez uništavanja prirode? Spašeno dobro zaboravljeno staro. Mlin je koristio zakretni moment za izravno grubi mehanički rad. Turbine hidroelektrana rotiraju magnete.
Trenutno najčišća električna energija dolazi iz vjetra. Inženjeri koji su izgradili prve generatore u Teksasu oslanjali su se na iskustvo vjetrenjača u Nizozemskoj.
