Šiandien atskleisime tokį fizikos reiškinį kaip „elektromagnetinės indukcijos dėsnis“. Mes jums pasakysime, kodėl Faradėjus atliko eksperimentus, pateiksime formulę ir paaiškinsime reiškinio svarbą kasdieniame gyvenime.
Senovės dievai ir fizika
Senovės žmonės garbino nežinomybę. O dabar žmogus bijo jūros gelmių ir kosmoso tolumo. Tačiau mokslas gali paaiškinti, kodėl. Povandeniniai laivai fiksuoja neįtikėtiną vandenynų gyvenimą daugiau nei kilometro gylyje, o kosminiai teleskopai tyrinėja objektus, kurie egzistavo praėjus vos keliems milijonams metų po Didžiojo sprogimo.
Bet tada žmonės dievino viską, kas juos žavėjo ir trikdė:
- saulėtekis;
- pabundantys augalai pavasarį;
- lietus;
- gimimas ir mirtis.
Kiekviename objekte ir reiškinyje gyveno nežinomos jėgos, valdančios pasaulį. Iki šiol vaikai yra linkę humanizuoti baldus ir žaislus. Palikti be suaugusiųjų, jie fantazuoja: antklodė apkabins, taburetė tiks, langas atsidarys savaime.
Galbūt pirmasis žmonijos evoliucijos žingsnis buvo gebėjimas išlaikytiugnis. Antropologai teigia, kad pirmieji gaisrai buvo įžiebti nuo žaibo nutrenkto medžio.
Taigi, elektra vaidino didžiulį vaidmenį žmonijos gyvenime. Pirmasis žaibas davė impulsą kultūros raidai, pagrindinis elektromagnetinės indukcijos dėsnis atvedė žmoniją į dabartinę būseną.
Nuo acto iki branduolinio reaktoriaus
Cheopso piramidėje aptikti keisti keraminiai indai: kaklelis užplombuotas vašku, gelmėse paslėptas metalinis cilindras. Vidinėje sienų pusėje rasta acto ar rūgštaus vyno likučių. Mokslininkai padarė sensacingą išvadą: šis artefaktas yra baterija, elektros š altinis.
Tačiau iki 1600 m. niekas nesiėmė tirti šio reiškinio. Prieš judinant elektronus, buvo ištirta statinės elektros prigimtis. Senovės graikai žinojo, kad gintaras išskiria išskyras, jei jis trinamas į kailį. Šio akmens spalva jiems priminė žvaigždės Electra iš Plejadžių šviesą. O mineralo pavadinimas savo ruožtu tapo priežastimi pakrikštyti fizinį reiškinį.
Pirmasis primityvus nuolatinės srovės š altinis buvo pastatytas 1800 m
Žinoma, kai tik pasirodė pakankamai galingas kondensatorius, mokslininkai pradėjo tirti prie jo prijungto laidininko savybes. 1820 m. danų mokslininkas Hansas Christianas Oerstedas atrado, kad magnetinė adata nukrypo šalia laidininko, įtraukto į tinklą. Šis faktas davė impulsą Faradėjaus atrasti elektromagnetinės indukcijos dėsnį (formulė bus pateikta žemiau), kuris leido žmonijai išgautielektros energija iš vandens, vėjo ir branduolinio kuro.
Primityvus, bet modernus
Fizikinį Maxo Faradėjaus eksperimentų pagrindą padėjo Oerstedas. Jei įjungtas laidininkas veikia magnetą, tai taip pat yra priešingai: įmagnetintas laidininkas turi indukuoti srovę.
Eksperimento, padėjusio išvesti elektromagnetinės indukcijos dėsnį (EMF kaip sąvoką apsvarstysime šiek tiek vėliau), struktūra buvo gana paprasta. Į spyruoklę suvyniotas laidas yra prijungtas prie įrenginio, kuris registruoja srovę. Mokslininkas į ritinius atnešė didelį magnetą. Magnetui judant šalia grandinės, prietaisas užregistravo elektronų srautą.
Nuo to laiko technika patobulėjo, tačiau pagrindinis elektros energijos generavimo didžiulėse stotyse principas išlieka tas pats: judantis magnetas sužadina srovę spyruokle apvyniotame laidininke.
Idėjų vystymas
Pati pirmoji patirtis Faradėjų įtikino, kad elektriniai ir magnetiniai laukai yra tarpusavyje susiję. Tačiau reikėjo išsiaiškinti, kaip tiksliai. Ar magnetinis laukas atsiranda ir aplink srovę nešantį laidininką, ar jie tiesiog gali vienas kitą paveikti? Todėl mokslininkas nuėjo toliau. Jis suvyniojo vieną laidą, atvedė į jį srovę ir įstūmė šią ritę į kitą spyruoklę. Ir jis taip pat gavo elektrą. Ši patirtis įrodė, kad judantys elektronai sukuria ne tik elektrinį, bet ir magnetinį lauką. Vėliau mokslininkai išsiaiškino, kaip jie yra erdvėje vienas kito atžvilgiu. Elektromagnetinis laukas taip pat yra priežastisšviesa.
Eksperimentuodamas su įvairiomis srovės laidininkų sąveikos galimybėmis, Faradėjus išsiaiškino, kad srovė geriausiai perduodama, jei tiek pirmoji, tiek antroji ritė yra suvyniota ant vienos bendros metalinės šerdies. Šiame įrenginyje buvo gauta formulė, išreiškianti elektromagnetinės indukcijos dėsnį.
Formulė ir jos komponentai
Dabar, kai elektros tyrimo istorija buvo įtraukta į Faradėjaus eksperimentą, laikas parašyti formulę:
ε=-dΦ / dt.
Iššifravimas:
ε yra elektrovaros jėga (trumpai – EMF). Priklausomai nuo ε reikšmės, elektronai laidininke juda intensyviau arba silpniau. Š altinio galia veikia EML, o elektromagnetinio lauko stiprumas – jį.
Φ yra magnetinio srauto, kuris šiuo metu eina per tam tikrą sritį, dydis. Faradėjus suvyniojo laidą į spyruoklę, nes jam reikėjo tam tikros erdvės, per kurią praeitų laidininkas. Žinoma, būtų galima pagaminti labai storą laidininką, bet tai kainuotų brangiai. Mokslininkas pasirinko apskritimo formą, nes ši plokščia figūra turi didžiausią ploto ir paviršiaus ilgio santykį. Tai yra labiausiai energiją taupanti forma. Todėl vandens lašeliai ant lygaus paviršiaus tampa apvalūs. Be to, spyruoklę su apvalia dalimi gauti daug lengviau: tereikia apvynioti vielą aplink kokį nors apvalų daiktą.
t yra laikas, per kurį srautas praėjo per kilpą.
Elektromagnetinės indukcijos dėsnio formulėje esantis priešdėlis d reiškia, kad reikšmė yra diferencinė. T.ymažas magnetinis srautas turi būti diferencijuojamas per mažus laiko intervalus, kad būtų gautas galutinis rezultatas. Šis matematinis veiksmas reikalauja tam tikro žmonių pasiruošimo. Norėdami geriau suprasti formulę, primygtinai raginame skaitytoją prisiminti diferencijavimą ir integravimą.
Įstatymo pasekmės
Iš karto po Faradėjaus atradimo fizikai pradėjo tirti elektromagnetinės indukcijos reiškinį. Pavyzdžiui, Lenco dėsnį eksperimentiškai išvedė rusų mokslininkas. Būtent ši taisyklė pridėjo minusą prie galutinės formulės.
Jis atrodo taip: indukcijos srovės kryptis neatsitiktinė; elektronų srautas antroje apvijoje tarsi linkęs sumažinti srovės poveikį pirmoje apvijoje. Tai reiškia, kad elektromagnetinės indukcijos atsiradimas iš tikrųjų yra antrosios spyruoklės atsparumas trukdžiams „asmeniniame gyvenime“.
Lenzo taisyklė turi dar vieną pasekmę.
- jei pirmosios ritės srovė padidės, tada ir antrosios spyruoklės srovė taip pat bus linkusi didėti;
- jei srovė indukcinėje apvijoje nukris, sumažės ir antrosios apvijos srovė.
Pagal šią taisyklę laidininkas, kuriame atsiranda indukuota srovė, iš tikrųjų linkęs kompensuoti kintančio magnetinio srauto poveikį.
Grūdai ir asilas
Pasinaudokite paprasčiausiais mechanizmais savo naudai, žmonės jau seniai siekia. Miltų malimas yra sunkus darbas. Kai kurios gentys grūdus mala rankomis: ant vieno akmens deda kviečius, uždengia kitu plokščiu ir apvaliu akmeniu ir suka.girnas. Bet jei jums reikia m alti miltus visam kaimui, jūs negalite to padaryti vien raumenų darbu. Iš pradžių žmonės spėjo prie girnos pririšti traukinį. Asilas traukė virvę – akmuo suko. Tada turbūt žmonės pagalvojo: „Upė nuolat teka, pasroviui stumia visokius dalykus. Kodėl mes to nepanaudojus geranoriškai? Taip atsirado vandens malūnai.
Ratas, vanduo, vėjas
Žinoma, pirmieji inžinieriai, kurie pastatė šias konstrukcijas, nieko nežinojo nei apie gravitacijos jėgą, dėl kurios vanduo visada linkęs kristi, nei apie trinties jėgą ar paviršiaus įtempimą. Bet jie pamatė: jei upelyje ar upėje pastatysite ratą su ašmenimis ant skersmens, jis ne tik suksis, bet ir galės atlikti naudingą darbą.
Tačiau net ir šis mechanizmas buvo ribotas: ne visur yra pakankamai tekančio vandens. Taigi žmonės judėjo toliau. Jie pastatė malūnus, varomus vėjo.
Anglis, mazutas, benzinas
Mokslininkams supratus elektros sužadinimo principą, buvo iškelta techninė užduotis: gauti ją pramoniniu mastu. Tuo metu (XIX a. vidurys) pasaulį siautė mašinų karštinė. Visą sunkų darbą jie bandė patikėti besiplečiančiai porai.
Tačiau tik iškastinis kuras, anglis ir mazutas, galėjo pašildyti didelius vandens kiekius. Todėl tie pasaulio regionai, kuriuose buvo daug senovės anglies junginių, iš karto patraukė investuotojų ir darbuotojų dėmesį. O žmonių perskirstymas paskatino pramonės revoliuciją.
Olandija irTeksasas
Tačiau tokia padėtis neigiamai paveikė aplinką. O mokslininkai mąstė: kaip gauti energijos nesunaikinant gamtos? Išgelbėtas gerai pamirštas senas. Malūnas naudojo sukimo momentą tiesiogiai grubiems mechaniniams darbams atlikti. Hidroelektrinių turbinos sukasi magnetais.
Šiuo metu švariausia elektros energija gaunama iš vėjo energijos. Inžinieriai, kurie Teksase pastatė pirmuosius generatorius, pasinaudojo Olandijos vėjo malūnų patirtimi.
