Днес ще разкрием такъв феномен на физиката като "закона на електромагнитната индукция". Ще ви кажем защо Фарадей провежда експерименти, ще дадем формула и ще обясним значението на явлението за ежедневието.
Древни богове и физика
Древните хора са се покланяли на неизвестното. И сега човек се страхува от морските дълбини и далечината на космоса. Но науката може да обясни защо. Подводниците улавят невероятния живот на океаните на дълбочина повече от километър, космически телескопи изучават обекти, съществували само няколко милиона години след Големия взрив.
Но тогава хората обожестваха всичко, което ги очарова и смущаваше:
- изгрев;
- пробуждащи се растения през пролетта;
- дъжд;
- раждане и смърт.
Във всеки предмет и явление живееха непознати сили, които управляваха света. Досега децата са склонни да хуманизират мебелите и играчките. Оставени без надзор от възрастни, те фантазират: одеяло ще прегърне, табуретка ще се побере, прозорецът ще се отвори сам.
Може би първата еволюционна стъпка на човечеството е способността да се поддържаОгънят. Антрополозите предполагат, че най-ранните огньове са били запалени от дърво, ударено от мълния.
По този начин електричеството изигра огромна роля в живота на човечеството. Първата мълния даде тласък на развитието на културата, основният закон на електромагнитната индукция доведе човечеството до днешното състояние.
От оцет до ядрен реактор
В пирамидата на Хеопс са открити странни керамични съдове: гърлото е запечатано с восък, в дълбините е скрит метален цилиндър. От вътрешната страна на стените са открити остатъци от оцет или кисело вино. Учените стигнаха до сензационно заключение: този артефакт е батерия, източник на електричество.
Но до 1600 г. никой не се е заел да изучава този феномен. Преди да се движат електрони, беше изследвана природата на статичното електричество. Древните гърци са знаели, че кехлибарът дава секрети, ако се търка в козината. Цветът на този камък им напомняше за светлината на звездата Електра от Плеядите. А името на минерала от своя страна стана причина за кръщаване на физическото явление.
Първият примитивен източник на DC е построен през 1800 г
Разбира се, веднага щом се появи достатъчно мощен кондензатор, учените започнаха да изучават свойствата на проводника, свързан с него. През 1820 г. датският учен Ханс Кристиан Ерстед открива, че магнитна стрелка се отклонява до проводник, включен в мрежата. Този факт даде тласък на откриването на закона за електромагнитната индукция от Фарадей (формулата ще бъде дадена по-долу), което позволи на човечеството да извлечеелектричество от вода, вятър и ядрено гориво.
Примитивно, но модерно
Физическата основа на експериментите на Макс Фарадей е положена от Ерстед. Ако превключен проводник въздейства на магнит, тогава е вярно и обратното: магнетизираният проводник трябва да индуцира ток.
Структурата на експеримента, който помогна да се изведе законът за електромагнитната индукция (EMF като концепция, която ще разгледаме малко по-късно), беше доста проста. Тел, навит в пружина, е свързан към устройство, което регистрира тока. Ученият донесе голям магнит към намотките. Докато магнитът се движеше до веригата, устройството регистрира потока от електрони.
Техниката се подобри оттогава, но основният принцип за създаване на електричество в огромни станции е все същият: движещ се магнит възбужда ток в проводник, навит от пружина.
Разработване на идеи
Първият опит убеди Фарадей, че електрическите и магнитните полета са взаимосвързани. Но беше необходимо да се разбере как точно. Магнитно поле възниква ли и около проводник с ток, или те просто могат да си влияят един на друг? Следователно ученият отиде по-далеч. Той нави един проводник, доведе до него ток и набута тази намотка в друга пружина. И той също получи ток. Този опит доказа, че движещите се електрони създават не само електрическо, но и магнитно поле. По-късно учените разбраха как са разположени в космоса един спрямо друг. Електромагнитното поле също е причината да имасветлина.
Експериментирайки с различни опции за взаимодействие на проводници под напрежение, Фарадей установи, че токът се предава най-добре, ако и първата, и втората намотка са навити на едно общо метално ядро. Формулата, изразяваща закона за електромагнитната индукция, е извлечена от това устройство.
Формулата и нейните компоненти
Сега, когато историята на изучаването на електричеството беше доведена до експеримента на Фарадей, е време да напишем формулата:
ε=-dΦ / dt.
Дешифроване:
ε е електродвижещата сила (EMF за кратко). В зависимост от стойността на ε електроните се движат по-интензивно или по-слабо в проводника. Мощността на източника влияе върху ЕМП, а силата на електромагнитното поле влияе върху него.
Φ е големината на магнитния поток, който в момента преминава през дадена област. Фарадей навил жицата в пружина, защото му трябвало определено пространство, през което да преминава проводникът. Разбира се, би било възможно да се направи много дебел проводник, но това би било скъпо. Ученият избра формата на кръга, защото тази плоска фигура има най-голямото съотношение на площта към дължината на повърхността. Това е най-енергийно ефективната форма. Следователно водните капчици върху равна повърхност стават кръгли. Освен това пружина с кръгло сечение е много по-лесна за получаване: просто трябва да навиете жицата около някакъв кръгъл предмет.
t е времето, необходимо на потока, за да премине през цикъла.
Префиксът d във формулата на закона за електромагнитната индукция означава, че стойността е диференциална. т.емалък магнитен поток трябва да се диференцира през малки интервали от време, за да се получи крайният резултат. Това математическо действие изисква известна подготовка от хората. За да разбере по-добре формулата, силно насърчаваме читателя да си припомни диференциацията и интеграцията.
Последствия от закона
Непосредствено след откритието на Фарадей, физиците започнаха да изследват феномена на електромагнитната индукция. Законът на Ленц, например, е изведен експериментално от руски учен. Това правило добави минус към крайната формула.
Той изглежда така: посоката на индукционния ток не е случайна; потокът от електрони във втората намотка като че ли има тенденция да намали ефекта на тока в първата намотка. Тоест, появата на електромагнитна индукция всъщност е съпротивлението на втората пружина срещу намеса в "личния живот".
Правилото на Ленц има друго следствие.
- ако токът в първата намотка ще се увеличи, тогава токът на втората пружина също ще има тенденция да се увеличава;
- ако токът в индуциращата намотка спадне, токът във втората намотка също ще намалее.
Съгласно това правило, проводник, в който възниква индуциран ток, всъщност има тенденция да компенсира ефекта от променящия се магнитен поток.
Зърно и магаре
Използвайте най-простите механизми в своя полза, хората се стремят от дълго време. Смилането на брашно е трудна работа. Някои племена мелят зърно на ръка: слагат жито върху един камък, покриват с друг плосък и кръгъл камък и завъртатводеничен камък. Но ако трябва да смелите брашно за цяло село, тогава не можете да го направите само с мускулен труд. Отначало хората се досетиха да вържат теглено животно към воденичния камък. Магарето дръпна въжето - камъкът се завъртя. Тогава вероятно хората са си помислили: „Реката тече през цялото време, избутва всякакви неща надолу по течението. Защо не го използваме за добро? Ето как се появиха водни мелници.
Колело, вода, вятър
Разбира се, първите инженери, построили тези конструкции, не са знаели нищо за силата на гравитацията, поради която водата винаги има тенденция да пада, нито за силата на триене или повърхностно напрежение. Но те видяха: ако поставите колело с остриета върху диаметър в поток или река, то не само ще се върти, но и ще може да върши полезна работа.
Но дори този механизъм беше ограничен: не навсякъде има течаща вода с достатъчно сила на тока. Така че хората продължиха напред. Те построиха мелници, задвижвани от вятъра.
Въглища, мазут, бензин
Когато учените разбраха принципа на възбуждане на електричеството, беше поставена техническа задача: да се получи в индустриален мащаб. По това време (средата на деветнадесети век) светът беше в треска от машини. Те се опитаха да поверят цялата трудна работа на разширяващата се двойка.
Но тогава само изкопаемите горива, въглищата и мазута, са били в състояние да затоплят големи обеми вода. Ето защо онези региони на света, които бяха богати на древни въглероди, веднага привлякоха вниманието на инвеститори и работници. И преразпределението на хората доведе до индустриалната революция.
Холандия иТексас
Това положение на нещата обаче се отрази зле на околната среда. И учените си помислиха: как да получим енергия, без да унищожаваме природата? Спасен добре забравено старо. Мелницата използва въртящ момент за директно груба механична работа. Турбините на водноелектрическите централи въртят магнити.
В момента най-чистото електричество идва от вятърната енергия. Инженерите, които построиха първите генератори в Тексас, черпиха от опита на вятърните мелници в Холандия.
