Danas ćemo govoriti o iskustvu Faradaya, engleskog fizičara, i važnosti elektromagnetske indukcije u modernom svijetu.
Sunce, munja, vulkan
Drevni ljudi obožavali su neshvatljivo. Govorimo o vremenima kada je najnapredniji izum bila sposobnost spajanja štapa i kamena u jednostavan alat. Nije bilo objašnjenja za dnevni hod Sunca, mjesečeve faze, vulkane, pojavu munja i grmljavine.
Uz grmljavinu, čovječanstvo ima zaseban roman. Vatra je rastjerala tamu, dala osjećaj sigurnosti, nadahnula otkrića. I znanstvenici sugeriraju da je prva kontrolirana vatra nastala od drva zapaljenog munjom.
Čekić i magnet
Nešto kasnije, ljudi su naučili koristiti toplinu za taljenje metala. Pojavili su se prvi snažni alati koji su pomogli u osvajanju okolne prirode. Idući isključivo eksperimentom, različiti majstori vjerojatno su nailazili na neobične i čudne zgode. Na primjer, jedan komad željeza mogao bi se iznenada pomaknuti u prisutnosti drugog (magnetizam). U devetnaestom stoljeću ove su pojave objašnjene Faradayevim eksperimentima (elektromagnetska indukcija u modernom smislu nastala je upravo tada).
Znanost ikraljevi
Električna struja poznata je odavno. Znali su razlikovati željezo od stakla po svojstvu vođenja elektrona u Michelangelovo vrijeme. Ali sve do početka devetnaestog stoljeća ovaj se fenomen smatrao isključivo smiješnim fenomenom. Osim toga, znanstvenike je uvijek sponzorirao bogati filantrop - grof, vojvoda ili kralj. A uloženi novac, kao što znate, trebao se isplatiti. Dakle, fizičari i kemičari morali su raditi na takav način da se vojna moć plemića poveća, da dobije veću zaradu ili da uživa u sjajnom spektaklu.
Neki eksperimenti su pokazani gostima kao znak moći vlasnika novca. Galileo je nazvao Jupiterove mjesece koje je otkrio u čast svog zaštitnika, Medičija. Tako je bilo i sa strujom. Faradayevi pokusi su eksperimentalno potvrdili elektromagnetsku indukciju. Ali prije njega, postojale su Oerstedove studije.
električni ili magnetski?
Magnet (glavni dio kompasa) koristili su pomorci koji su otkrili Ameriku, Australiju i put do Indije. Struja je bila zanimljiva zabava. 1820. danski znanstvenik Hans Christian Oersted dokazao je povezanost između magnetskih i električnih svojstava vodiča. Njegov eksperiment bio je preteča Faradayeva eksperimenta, fenomena elektromagnetske indukcije i svega što je uslijedilo iz otkrića tih godina.
Dakle, Oersted je uzeo linearni vodič (debelu žicu) i ispod njega stavio magnetsku iglu. Kada je znanstvenik pokrenuo struju, polovi magneta su se pomaknuli: strelica je stajala okomito na vodič. Fizičar je eksperiment ponovio mnogo puta,promijenio geometriju pokusa i smjer struje u vodiču. Rezultat je bio isti: položaj polova magnetske igle uvijek je bio isti u odnosu na vektor gibanja elektrona. Sada se ovo iskustvo čini vrlo jednostavnim i razumljivim. Ali otkriće je imalo dalekosežne posljedice: Oersted je dokazao izravnu vezu između električnog i magnetskog polja.
Vlasnički odnos
Ali ako je električna struja mogla utjecati na magnet, onda bi magnet mogao uzrokovati pomicanje elektrona? To je Faraday pokušao dokazati eksperimentom čiji ćemo opis sada dati.
Znanstvenik je namotao žicu u spiralu (zavojnicu), na nju spojio uređaj za detekciju struje i doveo magnet u strukturu. Igla mjerača zatreperi. Iskustvo se pokazalo uspješnim. U budućnosti je Michael Faraday primijenio različite pristupe i otkrio: ako umjesto magneta uzmemo jednu zavojnicu i pobuđujemo struju u njoj, tada će se struja pojaviti i u susjednoj zavojnici. Interakcija je još učinkovitija kada je vodljiva jezgra umetnuta unutar zavoja obje spirale.
Zakon elektromagnetske indukcije
Faradayev zakon indukcije za zatvoreni krug izražava se formulom: ε=-dΦ / dt.
Ovdje je ε elektromotorna sila koja uzrokuje pomicanje elektrona u vodiču (skraćeno EMF), Φ je veličina magnetskog toka koji trenutno prolazi kroz dano područje, a t je vrijeme.
Ova formula je diferencijalna. To znači da EMF treba izračunati za sva mala vremenska razdoblja koristeći male dijelove površine. ALIda bi se dobila ukupna elektromotorna sila, rezultat se mora zbrojiti.
Minus u formuli je zbog Lenzovog pravila. Ona glasi: Indukcijski emf je usmjeren tako da struja pod naponom blokira promjenu smjera protoka.
Sasvim je lako objasniti ovo pravilo na primjeru: kada se poveća struja u prvoj zavojnici, povećat će se i struja u drugoj; kada se struja u prvoj zavojnici smanji, inducirana će također oslabiti.
Primjena Faradayeva zakona
Moderni život je nezamisliv bez struje. U Danu kada je Zemlja stala, lik Keanua Reevesa mijenja tijek ljudske povijesti isključujući generatore. Nećemo sada govoriti o mehanizmima ovog incidenta. Fikcija daje mašti na volju, ali ne opisuje mogućnosti. Ali posljedice takvog fenomena bile bi uistinu globalne: od uništenja urbane infrastrukture do gladi. Ljudi bi zapravo morali obnoviti svoju civilizaciju kako bi se prilagodili postojanju bez struje.
Mnogi autori znanstvene fantastike iskorištavaju zaplet globalne katastrofe. Osim nestanka struje, razlozi za tako veliku promjenu su:
- strana invazija;
- pogrešan bakteriološki eksperiment;
- slučajno otkriće fizikalnog zakona koji mijenja strukturu materije (na primjer, led-9);
- nuklearni rat ili katastrofa;
- evolucijski skok ljudi (novo čovječanstvo jednostavno ne treba tehnologiju).
Traženje izvora energije jeodvojeno područje ljudske djelatnosti. Ljudi koriste energiju fosilnih resursa, vode, vjetra, valova, toplinu podzemnih termalnih voda i atoma da bi dobili električnu energiju. Sve stanice rade zahvaljujući principu čije je postojanje dokazao Faraday u svojim eksperimentima. Štoviše, shema za generiranje električne energije ne razlikuje se previše od njegovog eksperimenta: određena sila rotira ogroman magnet (rotor), a to zauzvrat pobuđuje struju u zavojnicama.
Naravno, ljudi su pronašli izvrstan materijal za jezgre, naučili kako napraviti ogromne kolute, mnogo bolje izolirati slojeve namota jedan od drugog. Ali općenito, moderna civilizacija počiva na iskustvu koje je proizveo Michael Faraday u kolovozu 1831.
