Šodien mēs runāsim par angļu fiziķa Faradeja pieredzi un elektromagnētiskās indukcijas nozīmi mūsdienu pasaulē.
Saule, zibens, vulkāns
Senie cilvēki pielūdza nesaprotamo. Mēs runājam par laikiem, kad vismodernākais izgudrojums bija spēja apvienot nūju un akmeni vienkāršā instrumentā. Saules ikdienas gaitai, Mēness fāzēm, vulkāniem, zibens un pērkona gadījumam nebija izskaidrojuma.
Ar pērkona negaisiem cilvēcei ir atsevišķs romāns. Uguns kliedēja tumsu, deva drošības sajūtu, iedvesmoja atklājumus. Un zinātnieki norāda, ka pirmā kontrolētā uguns tika izveidota no malkas, ko aizdedzināja zibens.
Āmurs un magnēts
Nedaudz vēlāk cilvēki iemācījās izmantot siltumu metāla kausēšanai. Parādījās pirmie spēcīgie instrumenti, kas palīdzēja iekarot apkārtējo dabu. Eksperimentējot, dažādi meistari, iespējams, uzdūrās neparastiem un dīvainiem atgadījumiem. Piemēram, viens dzelzs gabals varētu pēkšņi pārvietoties cita klātbūtnē (magnētisms). Deviņpadsmitajā gadsimtā šīs parādības tika izskaidrotas ar Faradeja eksperimentiem (elektromagnētiskā indukcija mūsdienu izpratnē radās tieši tad).
Zinātne unkaraļi
Elektriskā strāva ir zināma jau sen. Viņi prata atšķirt dzelzi no stikla pēc elektronu vadīšanas īpašībām Mikelandželo laikā. Bet līdz deviņpadsmitā gadsimta sākumam šī parādība tika uzskatīta tikai par smieklīgu parādību. Turklāt zinātniekus vienmēr ir sponsorējis kāds bagāts filantrops – grāfs, hercogs vai karalis. Un ieguldītajai naudai, kā zināms, vajadzēja atmaksāties. Tātad fiziķiem un ķīmiķiem bija jāstrādā tā, lai muižnieka militārais spēks palielinātos, viņš gūtu lielāku peļņu vai baudītu spilgtu skatu.
Ciemiņiem tika parādīti daži eksperimenti, kas liecina par naudas īpašnieka spēku. Galileo Jupitera pavadoņus nosauca par godu savam patronam Mediči. Tā tas bija ar elektrību. Faradeja eksperimenti apstiprināja elektromagnētisko indukciju eksperimentāli. Bet pirms viņa bija Orsteda studijas.
Elektriski vai magnētiski?
Magnētu (kompasa galveno daļu) izmantoja jūrnieki, kuri atklāja Ameriku, Austrāliju un ceļu uz Indiju. Elektrība bija interesanti jautri. 1820. gadā dāņu zinātnieks Hanss Kristians Oersteds pierādīja saistību starp vadītāju magnētiskajām un elektriskām īpašībām. Viņa eksperiments bija Faradeja eksperimenta priekštecis, elektromagnētiskās indukcijas fenomens un viss, kas izrietēja no šo gadu atklājumiem.
Tātad, Orsteds paņēma lineāro vadītāju (biezu vadu) un ievietoja zem tā magnētisko adatu. Kad zinātnieks iedarbināja strāvu, magnēta stabi nobīdījās: bultiņa stāvēja perpendikulāri vadītājam. Fiziķis eksperimentu atkārtoja daudzas reizes,mainīja eksperimenta ģeometriju un strāvas virzienu vadītājā. Rezultāts bija tāds pats: magnētiskās adatas polu atrašanās vieta vienmēr bija vienāda attiecībā pret elektronu kustības vektoru. Tagad šī pieredze šķiet ļoti vienkārša un saprotama. Taču atklājumam bija tālejošas sekas: Orsteds pierādīja tiešo saistību starp elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem.
Īpašuma attiecības
Bet, ja elektriskā strāva varēja ietekmēt magnētu, tad magnēts varētu izraisīt elektronu kustību? To Faradejs mēģināja pierādīt ar eksperimentu, kura aprakstu mēs tagad sniegsim.
Zinātnieks ietin vadu spirālē (spolē), pievienoja tai strāvas noteikšanas ierīci un ienesa konstrukcijā magnētu. Skaitītāja adata ņirbēja. Pieredze izrādījās veiksmīga. Nākotnē Maikls Faradejs pielietoja dažādas pieejas un noskaidroja: ja magnēta vietā ņemam vienu spoli un ierosinām tajā strāvu, tad strāva parādīsies arī blakus esošajā spolē. Mijiedarbība ir vēl efektīvāka, ja abu spirālīšu pagriezienos ir ievietots vadošs kodols.
Elektromagnētiskās indukcijas likums
Faraday indukcijas likumu slēgtai ķēdei izsaka ar formulu: ε=-dΦ / dt.
Šeit ε ir elektromotora spēks, kas liek elektroniem kustēties vadītājā (saīsināti kā EMF), Φ ir magnētiskās plūsmas lielums, kas pašlaik iet cauri noteiktai zonai, un t ir laiks.
Šī formula ir atšķirīga. Tas nozīmē, ka EML jāaprēķina visiem mazajiem laika periodiem, izmantojot nelielus laukuma gabalus. BETlai iegūtu kopējo elektromotora spēku, rezultāts ir jāsaskaita.
Mīnuss formulā ir saistīts ar Lenca likumu. Tas skan: Indukcijas emf ir virzīts tā, lai strāva bloķētu plūsmas virziena maiņu.
Šo noteikumu ir diezgan viegli izskaidrot ar piemēru: kad palielinās strāva pirmajā spolē, palielināsies arī otrā; samazinoties strāvai pirmajā spolē, vājināsies arī inducētā.
Faraday likuma piemērošana
Mūsdienu dzīve nav iedomājama bez elektrības. Filmā The Day the Earth Stood Still, Kianu Rīvsa varonis maina cilvēces vēstures gaitu, izslēdzot ģeneratorus. Par šī incidenta mehānismiem mēs tagad nerunāsim. Daiļliteratūra dod vaļu iztēlei, bet neapraksta iespējas. Taču šādas parādības sekas būtu patiesi globālas: no pilsētu infrastruktūras iznīcināšanas līdz badam. Cilvēkiem faktiski būtu jāatjauno sava civilizācija, lai pielāgotos eksistencei bez elektrības.
Daudzi zinātniskās fantastikas autori izmanto globālas katastrofas sižetu. Papildus elektroenerģijas padeves pārtraukumam šādu būtisku izmaiņu iemesli ir:
- ārzemju iebrukums;
- nepareizs bakterioloģiskais eksperiments;
- nejauši atklāts fiziskais likums, kas maina matērijas struktūru (piemēram, ledus-9);
- kodolkarš vai katastrofa;
- cilvēku evolūcijas lēciens (jaunajai cilvēcei vienkārši nav vajadzīgas tehnoloģijas).
Enerģijas avotu meklēšana iratsevišķa cilvēka darbības joma. Cilvēki izmanto fosilo resursu enerģiju, ūdeni, vēju, viļņus, pazemes termālo ūdeņu siltumu un atomu, lai iegūtu elektrību. Visas stacijas darbojas, pateicoties principam, kura esamību savos eksperimentos pierādīja Faradejs. Turklāt elektroenerģijas ražošanas shēma pārāk neatšķiras no viņa eksperimenta: noteikts spēks griež milzīgu magnētu (rotoru), un tas, savukārt, ierosina strāvu spolēs.
Protams, cilvēki atrada izcilu materiālu serdeņiem, iemācījās izgatavot milzīgas spoles, daudz labāk izolēt tinumu slāņus vienu no otra. Bet kopumā mūsdienu civilizācija balstās uz Maikla Faradeja pieredzi 1831. gada augustā.
