Ma feltárunk egy olyan fizika jelenséget, mint az "elektromágneses indukció törvénye". Elmondjuk, miért végzett Faraday kísérleteket, adunk egy képletet, és elmagyarázzuk a jelenség fontosságát a mindennapi életben.
Ősi istenek és fizika
Az ókori emberek az ismeretlent imádták. És most az ember fél a tenger mélyétől és az űr távolságától. De a tudomány meg tudja magyarázni, miért. Tengeralattjárók rögzítik az óceánok hihetetlen életét több mint egy kilométeres mélységben, az űrteleszkópok pedig olyan objektumokat tanulmányoznak, amelyek csak néhány millió évvel az ősrobbanás után léteztek.
De aztán az emberek mindent istenítettek, ami elbűvölte és zavarta őket:
- napkelte;
- növények ébredése tavasszal;
- eső;
- születés és halál.
Minden tárgyban és jelenségben ismeretlen erők éltek, amelyek ur alták a világot. Eddig a gyerekek hajlamosak a bútorokat és játékokat humanizálni. Felnőttek őrizetlenül hagyva fantáziálnak: takaró ölel, zsámoly elfér, az ablak magától nyílik.
Talán az emberiség első evolúciós lépése az volt, hogy képes volt fenntartania tűz. Az antropológusok szerint a legkorábbi tüzeket egy villámcsapás által sújtott fáról gyújtották meg.
Így az elektromosság óriási szerepet játszott az emberiség életében. Az első villám lendületet adott a kultúra fejlődésének, az elektromágneses indukció alaptörvénye a mai állapotba hozta az emberiséget.
Ecettől atomreaktorig
Furcsa kerámiaedényeket találtak Kheopsz piramisában: a nyak viasszal van lezárva, a mélyben fémhenger rejtőzik. A falak belső oldalán ecet vagy savanyú bor maradványait találták. A tudósok szenzációs következtetésre jutottak: ez a műtárgy egy akkumulátor, egy áramforrás.
De 1600-ig senki sem vállalkozott ennek a jelenségnek a tanulmányozására. Az elektronok mozgatása előtt feltárták a statikus elektromosság természetét. Az ókori görögök tudták, hogy a borostyán váladékokat bocsát ki, ha a szőrhöz dörzsölik. Ennek a kőnek a színe az Electra csillag fényére emlékeztette őket a Plejádokról. Az ásvány neve pedig a fizikai jelenség megkeresztelésének oka lett.
Az első primitív egyenáramforrást 1800-ban építették
Természetesen amint megjelent egy kellően erős kondenzátor, a tudósok elkezdték tanulmányozni a hozzá csatlakoztatott vezető tulajdonságait. 1820-ban Hans Christian Oersted dán tudós felfedezte, hogy egy mágneses tű elmozdult a hálózatban lévő vezető mellett. Ez a tény lendületet adott az elektromágneses indukció törvényének Faraday által történő felfedezéséhez (a képletet alább adjuk meg), amely lehetővé tette az emberiség számáravízből, szélből és nukleáris üzemanyagból származó villamos energia.
Primitív, de modern
Max Faraday kísérleteinek fizikai alapját Oersted fektette le. Ha egy kapcsolt vezető hatással van a mágnesre, akkor ennek az ellenkezője is igaz: a mágnesezett vezetőnek áramot kell indukálnia.
Az elektromágneses indukció törvényének levezetését elősegítő kísérlet felépítése (az EMF fogalma, amelyet egy kicsit később fogunk megvizsgálni) meglehetősen egyszerű volt. A rugóra tekercselt huzal egy áramot regisztráló eszközhöz van csatlakoztatva. A tudós egy nagy mágnest vitt a tekercsekhez. Amíg a mágnes az áramkör mellett mozgott, a készülék regisztrálta az elektronok áramlását.
A technika azóta javult, de a hatalmas állomásokon az elektromosság létrehozásának alapelve továbbra is ugyanaz: a mozgó mágnes áramot gerjeszt egy rugóval feltekercselt vezetőben.
Ötletfejlesztés
A legelső tapasztalat meggyőzte Faradayt, hogy az elektromos és a mágneses mezők összefüggenek. De ki kellett deríteni, hogy pontosan hogyan. Egy áramvezető vezeték körül is keletkezik mágneses tér, vagy egyszerűen csak képesek egymást befolyásolni? Ezért a tudós tovább ment. Feltekerte az egyik vezetéket, áramot vezetett rá, és ezt a tekercset egy másik rugóba nyomta. És áramot is kapott. Ez a tapasztalat bebizonyította, hogy a mozgó elektronok nemcsak elektromos, hanem mágneses mezőt is létrehoznak. Később a tudósok rájöttek, hogyan helyezkednek el az űrben egymáshoz képest. Az elektromágneses tér is az oka annak, hogy vanfény.
A feszültség alatt álló vezetők kölcsönhatásának különböző lehetőségeivel kísérletezve Faraday rájött, hogy az áram akkor továbbítható a legjobban, ha az első és a második tekercs is egy közös fémmagra van feltekerve. Az elektromágneses indukció törvényét kifejező képlet ezen az eszközön származott.
A képlet és összetevői
Most, hogy az elektromosság tanulmányozásának történetét a Faraday-kísérlethez hoztuk, ideje leírni a képletet:
ε=-dΦ / dt.
Megfejtés:
ε az elektromotoros erő (röviden EMF). Az ε értékétől függően az elektronok intenzívebben vagy gyengébben mozognak a vezetőben. A forrás ereje befolyásolja az EMF-et, és az elektromágneses tér erőssége befolyásolja azt.
Φ annak a mágneses fluxusnak a nagysága, amely éppen áthalad egy adott területen. Faraday rugóra tekerte a vezetéket, mert szüksége volt egy bizonyos térre, amelyen a vezető áthalad. Természetesen nagyon vastag vezetőt is lehetne készíteni, de az drága lenne. A tudós azért választotta a kör formát, mert ennek a lapos figurának van a legnagyobb területe és felülethossza aránya. Ez a legenergiatakarékosabb forma. Ezért a vízcseppek sima felületen kerekekké válnak. Ráadásul egy kerek keresztmetszetű rugót sokkal egyszerűbb beszerezni: csak egy kerek tárgy köré kell feltekerni a vezetéket.
t az az idő, ameddig az áramlás áthaladt a hurkon.
A d előtag az elektromágneses indukció törvényének képletében azt jelenti, hogy az érték differenciális. Azazegy kis mágneses fluxust kell megkülönböztetni kis időintervallumokban a végeredmény elérése érdekében. Ez a matematikai művelet némi felkészülést igényel az emberektől. A képlet jobb megértése érdekében határozottan bátorítjuk az olvasót, hogy emlékezzen a differenciálásra és az integrációra.
A törvény következményei
Közvetlenül Faraday felfedezése után a fizikusok elkezdték vizsgálni az elektromágneses indukció jelenségét. Lenz törvényét például egy orosz tudós kísérleti úton vezette le. Ez a szabály volt az, amely egy mínuszt adott a végső képlethez.
Így néz ki: az indukciós áram iránya nem véletlen; az elektronok áramlása a második tekercsben, úgymond, csökkenti az áram hatását az első tekercsben. Vagyis az elektromágneses indukció fellépése valójában a második rugó ellenállása a „személyes élet” zavarásával szemben.
Lenz szabályának más következménye is van.
- ha az első tekercsben nő az áram, akkor a második rugó árama is növekedni fog;
- ha az indukáló tekercsben az áram csökken, a második tekercsben lévő áram is csökken.
E szabály szerint az a vezető, amelyben indukált áram folyik, valójában kompenzálja a változó mágneses fluxus hatását.
Gabona és szamár
Használják a legegyszerűbb mechanizmusokat saját hasznukra, az emberek már régóta törekednek. A liszt őrlése kemény munka. Egyes törzsek kézzel őrlik a gabonát: az egyik kőre búzát tesznek, egy másik lapos és kerek kővel borítják be, és forgatjákmalomkő. De ha egy egész falura kell lisztet őrölni, akkor azt nem lehet csak izmos munkával megtenni. Eleinte az emberek arra tippeltek, hogy egy igásállatot kötnek a malomkőhöz. A szamár húzta a kötelet – a kő forgott. Akkor valószínűleg az emberek azt gondolták: „A folyó folyamatosan folyik, mindenfélét lefelé lök. Miért nem használjuk jóra? Így jelentek meg a vízimalmok.
Kerék, víz, szél
Természetesen az első mérnökök, akik ezeket a szerkezeteket építették, nem tudtak semmit sem a gravitációs erőről, amely miatt a víz mindig hajlamos leesni, sem a súrlódási erőről vagy a felületi feszültségről. De látták: ha egy patakban vagy folyóban átmérőjű pengékkel ellátott kereket teszel, akkor az nemcsak forog, hanem hasznos munkát is tud végezni.
De még ez a mechanizmus is korlátozott volt: nem mindenhol van elegendő áramerősségű folyóvíz. Tehát az emberek továbbmentek. Malmokat építettek, amelyeket szél hajt.
Szén, fűtőolaj, benzin
Amikor a tudósok megértették az elektromosság gerjesztésének elvét, egy technikai feladatot tűztek ki elé: az elektromosság ipari méretekben történő beszerzését. Abban az időben (19. század közepén) a világ a gépek lázában volt. Igyekeztek minden nehéz munkát a bővülő párosra bízni.
De akkor csak a fosszilis tüzelőanyagok, a szén és a fűtőolaj voltak képesek nagy mennyiségű vizet felmelegíteni. Ezért a világnak az ősi szénben gazdag régiói azonnal felkeltették a befektetők és a munkások figyelmét. Az emberek újraelosztása pedig az ipari forradalomhoz vezetett.
Hollandia ésTexas
A dolgoknak ez az állapota azonban rossz hatással volt a környezetre. És a tudósok arra gondoltak: hogyan lehet energiához jutni a természet elpusztítása nélkül? Megmentett jól elfeledett régi. A maró nyomatékot használt közvetlenül durva mechanikai munkákhoz. A vízerőművek turbinái mágneseket forgatnak.
Jelenleg a legtisztább áram a szélenergiából származik. Az első generátorokat Texasban megépítő mérnökök a holland szélmalmok tapasztalataiból merítettek.
