Ma Faraday, egy angol fizikus tapasztalatairól és az elektromágneses indukció fontosságáról fogunk beszélni a modern világban.
Nap, villámlás, vulkán
Az ókori emberek az érthetetlent imádták. Azokról az időkről beszélünk, amikor a legfejlettebb találmány az volt, hogy egy botot és egy követ egyszerű szerszámmá lehetett egyesíteni. Nem volt magyarázat a Nap napi mozgására, a Hold fázisaira, a vulkánokra, a villámok és mennydörgés előfordulására.
A zivatarokkal az emberiségnek külön regénye van. A tűz eloszlatta a sötétséget, biztonságérzetet adott, felfedezéseket inspirált. A tudósok szerint az első szabályozott tüzet a villámcsapás által meggyújtott fából hozták létre.
Kalapács és mágnes
Kicsit később az emberek megtanulták használni a hőt a fém olvasztására. Megjelentek az első erős eszközök, amelyek segítették a környező természet meghódítását. Kizárólag kísérletezéssel a különböző mesterek valószínűleg szokatlan és furcsa eseményekbe botlottak. Például egy vasdarab hirtelen elmozdulhat egy másik jelenlétében (mágnesesség). A tizenkilencedik században ezeket a jelenségeket Faraday kísérletei magyarázták (a mai értelemben vett elektromágneses indukció pontosan ekkor keletkezett).
Tudomány éskirályok
Az elektromos áram régóta ismert. Michelangelo idejében tudták, hogyan lehet megkülönböztetni a vasat az üvegtől az elektronvezető tulajdonsága alapján. De egészen a 19. század elejéig ezt a jelenséget kizárólag vicces jelenségnek tekintették. Ráadásul a tudósokat mindig egy gazdag emberbarát – egy gróf, herceg vagy király – szponzorálta. A befektetett pénznek pedig, mint tudod, meg kellett volna térülnie. Tehát a fizikusoknak és vegyészeknek úgy kellett dolgozniuk, hogy a nemes katonai ereje növekedjen, több haszonra tegyen szert, vagy fényes látványban legyen része.
Néhány kísérletet bemutattak a vendégeknek a pénz tulajdonosának hatalmának jeleként. Galilei az általa felfedezett Jupiter holdjait patrónusa, a Medici tiszteletére nevezte el. Így volt ez az árammal is. Faraday kísérletei kísérletileg megerősítették az elektromágneses indukciót. De előtte ott voltak Oersted tanulmányai.
Elektromos vagy mágneses?
A mágnest (az iránytű fő részét) olyan tengerészek használták, akik felfedezték Amerikát, Ausztráliát és az Indiába vezető utat. Az elektromosság érdekes szórakozás volt. 1820-ban Hans Christian Oersted dán tudós bebizonyította a kapcsolatot a vezetők mágneses és elektromos tulajdonságai között. Kísérlete előfutára volt Faraday kísérletének, az elektromágneses indukció jelenségének és mindennek, ami az akkori felfedezésekből következett.
Tehát Oersted vett egy lineáris vezetőt (vastag vezetéket), és alá helyezett egy mágneses tűt. Amikor a tudós elindította az áramot, a mágnes pólusai elmozdultak: a nyíl merőlegesen állt a vezetőre. A fizikus sokszor megismételte a kísérletet,megváltoztatta a kísérlet geometriáját és az áram irányát a vezetőben. Az eredmény ugyanaz volt: a mágnestű pólusainak elhelyezkedése mindig ugyanaz volt az elektronok mozgásvektorához képest. Most ez a tapasztalat nagyon egyszerűnek és érthetőnek tűnik. De a felfedezésnek messzemenő következményei voltak: Oersted bebizonyította az elektromos és a mágneses mezők közötti közvetlen kapcsolatot.
Tulajdonjog
De ha az elektromos áram képes volt hatni a mágnesre, akkor a mágnes az elektronok mozgását idézheti elő? Faraday ezt próbálta bizonyítani a kísérlettel, amelynek leírását most közöljük.
A tudós spirálba (tekercsbe) tekerte a vezetéket, áramérzékelő eszközt csatlakoztatott hozzá, és mágnest vitt a szerkezetre. A mérőtű villogott. A tapasztalat sikeresnek bizonyult. A jövőben Michael Faraday különféle megközelítéseket alkalmazott, és rájött: ha a mágnes helyett egy tekercset veszünk, és áramot gerjesztünk benne, akkor a szomszédos tekercsben is megjelenik egy áram. A kölcsönhatás még hatékonyabb, ha egy vezetőképes magot helyeznek be mindkét spirál menetébe.
Az elektromágneses indukció törvénye
Faraday indukciós törvénye zárt áramkörre a következő képlettel fejezhető ki: ε=-dΦ / dt.
Itt ε az az elektromotoros erő, amely az elektronok mozgását okozza a vezetőben (rövidítve EMF), Φ az adott területen áthaladó mágneses fluxus nagysága, t pedig az idő.
Ez a képlet differenciál. Ez azt jelenti, hogy az EMF-et minden kis időtartamra kis területrészek felhasználásával kell kiszámítani. DEa teljes elektromotoros erő meghatározásához az eredményt összegezni kell.
A képlet mínusza Lenz szabályának köszönhető. Ez így szól: Az indukciós emf úgy van irányítva, hogy a bekapcsolt áram blokkolja az áramlási irány változását.
Ezt a szabályt nagyon könnyű egy példával megmagyarázni: amikor az első tekercsben az áram növekszik, a második tekercsben lévő áram is növekszik; amikor az első tekercsben az áram csökken, az indukált is gyengül.
Faraday törvényének alkalmazása
A modern élet elképzelhetetlen áram nélkül. A The Day the Earth Stood Still-ben Keanu Reeves karaktere megváltoztatja az emberi történelem menetét a generátorok kikapcsolásával. Ennek az incidensnek a mechanizmusairól most nem beszélünk. A szépirodalom szabad utat enged a képzeletnek, de nem írja le a lehetőségeket. De egy ilyen jelenség következményei valóban globálisak lennének: a városi infrastruktúra pusztulásától az éhínségig. Az embereknek valójában újjá kellene építeniük civilizációjukat, hogy alkalmazkodjanak az elektromosság nélküli létezéshez.
Sok sci-fi szerző egy globális katasztrófa cselekményét használja ki. Az áramszünet mellett az ilyen jelentős változás okai:
- külföldi invázió;
- rossz bakteriológiai kísérlet;
- az anyag szerkezetét megváltoztató fizikai törvény véletlen felfedezése (például jég-9);
- nukleáris háború vagy katasztrófa;
- az emberek evolúciós ugrása (az új emberiségnek egyszerűen nincs szüksége technológiára).
Az energiaforrások keresése azaz emberi tevékenység külön területe. Az emberek a fosszilis erőforrások energiáját, a vizet, a szelet, a hullámokat, a föld alatti termálvizek hőjét és az atomot használják fel áramszerzésre. Minden állomás annak az elvnek köszönhetően működik, amelynek létezését Faraday kísérletei során bebizonyította. Sőt, az elektromos áram előállításának sémája sem különbözik túlságosan a kísérletétől: egy bizonyos erő megforgat egy hatalmas mágnest (rotort), ami viszont gerjeszti az áramot a tekercsekben.
Természetesen az emberek találtak egy kiváló anyagot a magokhoz, megtanulták, hogyan lehet hatalmas orsókat készíteni, sokkal jobban el kell különíteni egymástól a tekercselési rétegeket. De általában a modern civilizáció azon a tapasztalaton áll, amelyet Michael Faraday 1831 augusztusában produkált.
