I dag vil vi afsløre et sådant fysikfænomen som "loven om elektromagnetisk induktion". Vi vil fortælle dig, hvorfor Faraday udførte eksperimenter, give en formel og forklare betydningen af fænomenet for hverdagen.
Gamle guder og fysik
Gamle mennesker tilbad det ukendte. Og nu er en mand bange for havets dybder og rummets afstand. Men videnskaben kan forklare hvorfor. Ubåde fanger det utrolige liv i havene på mere end en kilometers dybde, rumteleskoper studerer objekter, der kun eksisterede et par millioner år efter big bang.
Men så guddommeliggjorde folk alt, hvad der fascinerede og forstyrrede dem:
- solopgang;
- vækneplanter om foråret;
- regn;
- fødsel og død.
I alle objekter og fænomener boede ukendte kræfter, der regerede verden. Indtil nu har børn en tendens til at humanisere møbler og legetøj. Efterladt uden opsyn af voksne fantaserer de: et tæppe vil kramme, en skammel vil passe, vinduet åbnes af sig selv.
Måske var menneskehedens første evolutionære skridt evnen til at opretholdeilden. Antropologer antyder, at de tidligste bål blev tændt fra et træ, der blev ramt af lynet.
Således har elektricitet spillet en enorm rolle i menneskehedens liv. Det første lyn satte skub i kulturens udvikling, den grundlæggende lov om elektromagnetisk induktion bragte menneskeheden til den nuværende tilstand.
Fra eddike til atomreaktor
Mærkelige keramiske kar blev fundet i Cheops-pyramiden: halsen er forseglet med voks, en metalcylinder er skjult i dybet. På indersiden af væggene fandt man rester af eddike eller sur vin. Forskere er nået til en sensationel konklusion: denne artefakt er et batteri, en kilde til elektricitet.
Men indtil 1600 var der ingen, der påtog sig at studere dette fænomen. Før man flyttede elektroner, blev arten af statisk elektricitet undersøgt. De gamle grækere vidste, at rav giver udledninger, hvis det gnides mod pelsen. Farven på denne sten mindede dem om lyset fra stjernen Electra fra Plejaderne. Og mineralets navn blev til gengæld grunden til at døbe det fysiske fænomen.
Den første primitive DC-kilde blev bygget i 1800
Selvfølgelig, så snart en tilstrækkelig kraftig kondensator dukkede op, begyndte videnskabsmænd at studere egenskaberne af den leder, der var forbundet til den. I 1820 opdagede den danske videnskabsmand Hans Christian Ørsted, at en magnetisk nål afveg ved siden af en leder inkluderet i netværket. Denne kendsgerning gav skub til opdagelsen af loven om elektromagnetisk induktion af Faraday (formlen vil blive givet nedenfor), som gjorde det muligt for menneskeheden at udvindeelektricitet fra vand, vind og nukleart brændsel.
Primitivt, men moderne
Det fysiske grundlag for Max Faradays eksperimenter blev lagt af Oersted. Hvis en skiftet leder påvirker en magnet, så er det modsatte også tilfældet: en magnetiseret leder skal inducere en strøm.
Strukturen af eksperimentet, der hjalp med at udlede loven om elektromagnetisk induktion (EMF som et begreb, vi vil overveje lidt senere) var ret enkel. En ledning viklet ind i en fjeder er forbundet til en enhed, der registrerer strømmen. Forskeren bragte en stor magnet til spolerne. Mens magneten bevægede sig ved siden af kredsløbet, registrerede enheden strømmen af elektroner.
Teknikken er blevet forbedret siden da, men det grundlæggende princip for at skabe elektricitet på enorme stationer er stadig det samme: en magnet i bevægelse exciterer en strøm i en leder, der er viklet af en fjeder.
Idéudvikling
Den allerførste oplevelse overbeviste Faraday om, at elektriske og magnetiske felter er indbyrdes forbundet. Men det var nødvendigt at finde ud af præcis hvordan. Opstår der også et magnetfelt omkring en strømførende leder, eller er de blot i stand til at påvirke hinanden? Derfor gik videnskabsmanden videre. Han viklede den ene ledning, førte strøm til den og skubbede denne spole ind i en anden fjeder. Og han fik også strøm. Denne erfaring viste, at bevægelige elektroner ikke kun skaber et elektrisk, men også et magnetfelt. Senere fandt forskerne ud af, hvordan de er placeret i rummet i forhold til hinanden. Det elektromagnetiske felt er også grunden til, at der erlys.
Faraday eksperimenterede med forskellige muligheder for interaktion mellem strømførende ledere og fandt ud af, at strømmen transmitteres bedst, hvis både den første og den anden spole er viklet på én fælles metalkerne. Formlen, der udtrykker loven om elektromagnetisk induktion, blev afledt på denne enhed.
Formlen og dens komponenter
Nu hvor historien om studiet af elektricitet er blevet bragt til Faraday-eksperimentet, er det tid til at skrive formlen:
ε=-dΦ / dt.
Dechifrer:
ε er den elektromotoriske kraft (EMF forkortet). Afhængigt af værdien af ε bevæger elektronerne sig mere intensivt eller svagere i lederen. Kildens kraft påvirker EMF, og styrken af det elektromagnetiske felt påvirker den.
Φ er størrelsen af den magnetiske flux, der i øjeblikket passerer gennem et givet område. Faraday viklede ledningen til en fjeder, fordi han havde brug for et bestemt rum, som lederen ville passere igennem. Selvfølgelig ville det være muligt at lave en meget tyk leder, men det ville være dyrt. Forskeren valgte cirkelformen, fordi denne flade figur har det største forhold mellem areal og overfladelængde. Dette er den mest energieffektive form. Derfor bliver vanddråber på en flad overflade runde. Derudover er en fjeder med en rund sektion meget nemmere at få: du skal bare vikle wiren rundt om en form for rund genstand.
t er den tid, det tog strømmen at passere gennem sløjfen.
Præfikset d i formlen for loven om elektromagnetisk induktion betyder, at værdien er differentiel. dvsen lille magnetisk flux skal differentieres over små tidsintervaller for at opnå det endelige resultat. Denne matematiske handling kræver en vis forberedelse fra folk. For bedre at forstå formlen opfordrer vi på det kraftigste læseren til at huske differentiering og integration.
Konsekvenser af loven
Umiddelbart efter Faradays opdagelse begyndte fysikere at undersøge fænomenet elektromagnetisk induktion. Lenz' lov blev for eksempel eksperimentelt udledt af en russisk videnskabsmand. Det var denne regel, der tilføjede et minus til den endelige formel.
Han ser sådan ud: retningen af induktionsstrømmen er ikke tilfældig; strømmen af elektroner i den anden vikling har så at sige en tendens til at reducere effekten af strømmen i den første vikling. Det vil sige, at forekomsten af elektromagnetisk induktion faktisk er den anden fjeders modstand mod interferens i "personligt liv".
Lenz' regel har en anden konsekvens.
- hvis strømmen i den første spole vil stige, så vil strømmen af den anden fjeder også have en tendens til at stige;
- hvis strømmen i den inducerende vikling falder, vil strømmen i den anden vikling også falde.
I henhold til denne regel har en leder, hvori der forekommer en induceret strøm, faktisk en tendens til at kompensere for virkningen af en skiftende magnetisk flux.
Korn og æsel
Brug de enkleste mekanismer til deres egen fordel, folk har stræbt efter i lang tid. At male mel er hårdt arbejde. Nogle stammer maler korn i hånden: læg hvede på en sten, dæk med en anden flad og rund sten og snurrmøllesten. Men hvis du har brug for at male mel til en hel landsby, så kan du ikke gøre det med muskelarbejde alene. Først gættede folk på at binde et trækdyr til møllestenen. Æslet trak i rebet – stenen roterede. Så tænkte folk sikkert:”Elven flyder hele tiden, den skubber alle mulige ting nedstrøms. Hvorfor bruger vi det ikke til gode? Sådan fremstod vandmøller.
Hjul, vand, vind
Selvfølgelig vidste de første ingeniører, der byggede disse strukturer, ikke noget om tyngdekraften, på grund af hvilken vand altid har en tendens til at falde, ej heller om friktionskraften eller overfladespændingen. Men de så: Hvis du sætter et hjul med klinger på en diameter i en å eller en flod, så vil det ikke kun rotere, men også være i stand til at udføre nyttigt arbejde.
Men selv denne mekanisme var begrænset: ikke alle steder er der rindende vand med tilstrækkelig strømstyrke. Så folk kom videre. De byggede møller, der blev drevet af vinden.
Kul, brændselsolie, benzin
Da videnskabsmænd forstod princippet om excitation af elektricitet, blev der stillet en teknisk opgave: at opnå den i industriel skala. På det tidspunkt (midten af det nittende århundrede) var verden i en feber af maskiner. De forsøgte at betro alt det vanskelige arbejde til det ekspanderende par.
Men dengang var det kun fossile brændstoffer, kul og brændselsolie, der var i stand til at opvarme store mængder vand. Derfor tiltrak de regioner i verden, der var rige på gamle kulstoffer, straks investorernes og arbejdernes opmærksomhed. Og omfordelingen af mennesker førte til den industrielle revolution.
Holland ogTexas
Denne situation havde imidlertid en dårlig indvirkning på miljøet. Og videnskabsmænd tænkte: hvordan får man energi uden at ødelægge naturen? Reddet godt glemt gammel. Møllen brugte moment til at udføre direkte groft mekanisk arbejde. Turbiner på vandkraftværker roterer magneter.
I øjeblikket kommer den reneste elektricitet fra vindkraft. Ingeniørerne, der byggede de første generatorer i Texas, trak på erfaringerne fra vindmøller i Holland.
