Šodien atklāsim tādu fizikas fenomenu kā "elektromagnētiskās indukcijas likums". Mēs jums pastāstīsim, kāpēc Faradejs veica eksperimentus, sniegsim formulu un izskaidrosim fenomena nozīmi ikdienas dzīvē.
Senie dievi un fizika
Senie cilvēki pielūdza nezināmo. Un tagad vīrietim ir bail no jūras dzīlēm un kosmosa attāluma. Bet zinātne var izskaidrot, kāpēc. Zemūdenes fiksē neticamo okeānu dzīvi vairāk nekā kilometra dziļumā, kosmosa teleskopi pēta objektus, kas pastāvēja tikai dažus miljonus gadu pēc lielā sprādziena.
Bet tad cilvēki dievināja visu, kas viņus valdzināja un traucēja:
- saullēkts;
- modina augi pavasarī;
- lietus;
- dzimšana un nāve.
Katrā objektā un parādībā dzīvoja nezināmi spēki, kas valdīja pār pasauli. Līdz šim bērni mēdz humanizēt mēbeles un rotaļlietas. Atstāti bez pieaugušo uzraudzības, viņi fantazē: apskausies sega, iederēsies ķeblītis, logs atvērsies pats.
Iespējams, pirmais cilvēces evolūcijas solis bija spēja saglabātuguns. Antropologi norāda, ka agrākie ugunsgrēki tika iekurti no koka, ko iespēra zibens.
Tādējādi elektrībai ir bijusi milzīga loma cilvēces dzīvē. Pirmais zibens deva impulsu kultūras attīstībai, elektromagnētiskās indukcijas pamatlikums atveda cilvēci pašreizējā stāvoklī.
No etiķa līdz kodolreaktoram
Heopsa piramīdā atrasti dīvaini keramikas trauki: kakls aizzīmogots ar vasku, dziļumā paslēpts metāla cilindrs. Sienu iekšpusē tika atrastas etiķa vai skābā vīna paliekas. Zinātnieki ir nonākuši pie sensacionāla secinājuma: šis artefakts ir akumulators, elektroenerģijas avots.
Bet līdz 1600. gadam neviens neuzņēmās šo fenomenu pētīt. Pirms elektronu pārvietošanas tika izpētīta statiskās elektrības būtība. Senie grieķi zināja, ka dzintars dod izdalīšanos, ja to berzē pret kažokādu. Šī akmens krāsa viņiem atgādināja zvaigznes Electra gaismu no Pleiādēm. Un minerāla nosaukums, savukārt, kļuva par iemeslu kristīt fizisko parādību.
Pirmais primitīvais līdzstrāvas avots tika uzbūvēts 1800. gadā
Protams, tiklīdz parādījās pietiekami jaudīgs kondensators, zinātnieki sāka pētīt ar to pieslēgtā vadītāja īpašības. 1820. gadā dāņu zinātnieks Hanss Kristians Oersteds atklāja, ka magnētiskā adata novirzās blakus tīklā iekļautam vadītājam. Šis fakts deva impulsu Faradeja elektromagnētiskās indukcijas likuma atklāšanai (formula tiks dota zemāk), kas ļāva cilvēcei iegūtelektrība no ūdens, vēja un kodoldegvielas.
Primitīvs, bet moderns
Maksa Faradeja eksperimentu fizisko pamatu lika Orsteds. Ja pārslēgts vadītājs ietekmē magnētu, tad ir arī pretējais: magnetizētam vadītājam ir jāinducē strāva.
Eksperimenta struktūra, kas palīdzēja atvasināt elektromagnētiskās indukcijas likumu (EMF kā jēdzienu mēs apsvērsim nedaudz vēlāk), bija diezgan vienkārša. Atsperē ietīts vads ir savienots ar ierīci, kas reģistrē strāvu. Zinātnieks pie spolēm atnesa lielu magnētu. Kamēr magnēts pārvietojās blakus ķēdei, ierīce reģistrēja elektronu plūsmu.
Tehnika kopš tā laika ir uzlabojusies, taču pamatprincips, kā radīt elektrību milzīgās stacijās, joprojām ir nemainīgs: kustīgs magnēts ierosina strāvu vadītājā, kas aptīts ar atsperi.
Ideju attīstība
Pati pirmā pieredze Faradeju pārliecināja, ka elektriskie un magnētiskie lauki ir savstarpēji saistīti. Taču vajadzēja noskaidrot, kā tieši. Vai magnētiskais lauks rodas arī ap strāvu nesošo vadītāju, vai arī tie vienkārši spēj viens otru ietekmēt? Tāpēc zinātnieks devās tālāk. Viņš uztīja vienu vadu, pievadīja tam strāvu un iespieda šo spoli citā atsperē. Un viņš dabūja arī elektrību. Šī pieredze pierādīja, ka kustīgi elektroni rada ne tikai elektrisko, bet arī magnētisko lauku. Vēlāk zinātnieki noskaidroja, kā tie atrodas kosmosā viens pret otru. Elektromagnētiskais lauks ir arī iemesls, kāpēc pastāvgaišs.
Eksperimentējot ar dažādām strāvas vadītāju mijiedarbības iespējām, Faradejs noskaidroja, ka strāvu vislabāk pārraida, ja gan pirmā, gan otrā spole ir uztīta uz viena kopīga metāla serdeņa. Šajā ierīcē tika iegūta formula, kas izsaka elektromagnētiskās indukcijas likumu.
Formula un tās sastāvdaļas
Tagad, kad elektrības izpētes vēsture ir iekļauta Faradeja eksperimentā, ir pienācis laiks uzrakstīt formulu:
ε=-dΦ / dt.
Atšifrējums:
ε ir elektromotora spēks (īsumā EMF). Atkarībā no ε vērtības elektroni vadītājā kustas intensīvāk vai vājāk. Avota jauda ietekmē EML, un elektromagnētiskā lauka stiprums ietekmē to.
Φ ir magnētiskās plūsmas lielums, kas pašlaik šķērso noteiktu apgabalu. Faradejs ietin vadu atsperē, jo viņam vajadzēja noteiktu vietu, caur kuru iziet vadītājs. Protams, varētu uztaisīt ļoti biezu vadītāju, bet tas izmaksātu dārgi. Zinātnieks izvēlējās apļa formu, jo šai plakanajai figūrai ir vislielākā laukuma un virsmas garuma attiecība. Šī ir energoefektīvākā forma. Tāpēc ūdens pilieni uz līdzenas virsmas kļūst apaļi. Turklāt atsperi ar apaļu sekciju iegūt ir daudz vienkāršāk: vajag tikai aptīt vadu ap kādu apaļu priekšmetu.
t ir laiks, kas bija nepieciešams, lai plūsma izietu cauri cilpai.
Prefikss d elektromagnētiskās indukcijas likuma formulā nozīmē, ka vērtība ir diferenciāla. T.ineliela magnētiskā plūsma ir jādiferencē nelielos laika intervālos, lai iegūtu gala rezultātu. Šī matemātiskā darbība prasa zināmu sagatavošanos no cilvēkiem. Lai labāk izprastu formulu, mēs ļoti mudinām lasītāju atcerēties diferenciāciju un integrāciju.
Likuma sekas
Tūlīt pēc Faradeja atklājuma fiziķi sāka pētīt elektromagnētiskās indukcijas fenomenu. Piemēram, Lenca likumu eksperimentāli atvasināja krievu zinātnieks. Tieši šis noteikums galīgajai formulai pievienoja mīnusu.
Viņš izskatās šādi: indukcijas strāvas virziens nav nejaušs; elektronu plūsmai otrajā tinumā it kā ir tendence samazināt strāvas ietekmi pirmajā tinumā. Tas nozīmē, ka elektromagnētiskās indukcijas rašanās patiesībā ir otrās atsperes pretestība traucējumiem "personiskajā dzīvē".
Lenca noteikumam ir citas sekas.
- ja palielināsies strāva pirmajā spolē, tad arī otrās atsperes strāvai būs tendence palielināties;
- ja samazinās strāva inducējošā tinumā, samazināsies arī strāva otrajā tinumā.
Saskaņā ar šo noteikumu vadītājs, kurā rodas inducētā strāva, faktiski mēdz kompensēt mainīgas magnētiskās plūsmas ietekmi.
Graudi un ēzelis
Izmantojiet visvienkāršākos mehānismus savā labā, cilvēki jau ilgu laiku tiekušies. Miltu malšana ir smags darbs. Dažas ciltis graudus maļ ar rokām: uzliek kviešus uz viena akmens, pārklāj ar citu plakanu un apaļu akmeni un virpina.dzirnakmens. Bet, ja miltus vajag sam alt visam ciematam, tad ar muskuļu darbu vien to nevar izdarīt. Sākumā cilvēki uzminēja pie dzirnakmens piesiet vilkmes dzīvnieku. Ēzelis vilka virvi – akmens griezās. Tad, iespējams, cilvēki domāja: “Upe visu laiku plūst, tā spiež visādas lietas lejup pa straumi. Kāpēc mēs to neizmantojam labajam? Tā parādījās ūdensdzirnavas.
Ritenis, ūdens, vējš
Protams, pirmie inženieri, kas būvēja šīs konstrukcijas, neko nezināja ne par gravitācijas spēku, kura ietekmē ūdens vienmēr mēdz krist, ne par berzes spēku vai virsmas spraigumu. Bet viņi redzēja: ja strautā vai upē uzliks riteni ar asmeņiem uz diametra, tad tas ne tikai griezīsies, bet arī varēs veikt noderīgu darbu.
Bet pat šis mehānisms bija ierobežots: ne visur ir tekoša ūdens ar pietiekamu strāvas stiprumu. Tātad cilvēki devās tālāk. Viņi uzcēla dzirnavas, kuras darbināja vējš.
Ogles, mazuts, benzīns
Kad zinātnieki saprata elektrības ierosināšanas principu, tika izvirzīts tehnisks uzdevums: iegūt to rūpnieciskā mērogā. Tolaik (deviņpadsmitā gadsimta vidū) pasaule valdīja mašīnu drudzis. Viņi centās uzticēt visu grūto darbu augošajam pārim.
Bet tad tikai fosilais kurināmais, ogles un mazuts, varēja uzsildīt lielus ūdens daudzumus. Tāpēc tie pasaules reģioni, kas bija bagāti ar seno oglekli, nekavējoties piesaistīja investoru un strādnieku uzmanību. Un cilvēku pārdale noveda pie industriālās revolūcijas.
Holande unTeksasa
Tomēr šādam stāvoklim bija slikta ietekme uz vidi. Un zinātnieki domāja: kā iegūt enerģiju, neiznīcinot dabu? Izglābts labi aizmirsts vecais. Dzirnavas izmantoja griezes momentu, lai veiktu tieši rupjus mehāniskus darbus. Hidroelektrostaciju turbīnas rotē magnētus.
Šobrīd tīrāko elektroenerģiju iegūst no vēja enerģijas. Inženieri, kas uzbūvēja pirmos ģeneratorus Teksasā, izmantoja vējdzirnavu pieredzi Holandē.
