Danes bomo govorili o izkušnjah Faradaya, angleškega fizika, in o pomenu elektromagnetne indukcije v sodobnem svetu.
Sonce, strela, vulkan
Starodavni ljudje so častili nerazumljivo. Govorimo o časih, ko je bila najbolj napredna iznajdba sposobnost združiti palico in kamen v preprosto orodje. Ni bilo razlage za dnevni potek Sonca, faze Lune, vulkane, pojav strele in grmenja.
Z nevihtami ima človeštvo ločen roman. Ogenj je razgnal temo, dal občutek varnosti, navdihnil odkritja. In znanstveniki predlagajo, da je bil prvi nadzorovan ogenj ustvarjen iz lesa, ki ga je zažgala strela.
kladivo in magnet
Malo kasneje so se ljudje naučili uporabljati toploto za taljenje kovine. Pojavila so se prva močna orodja, ki so pomagala osvojiti okoliško naravo. Različni mojstri so v izključno eksperimentiranju verjetno naleteli na nenavadne in čudne dogodke. Na primer, en kos železa se lahko nenadoma premakne v prisotnosti drugega (magnetizem). V devetnajstem stoletju so te pojave razložili Faradayevi poskusi (elektromagnetna indukcija v sodobnem pomenu je nastala ravno takrat).
Znanost inkralji
Električni tok je znan že dolgo. Železo od stekla so znali razlikovati po lastnosti prevodnosti elektronov v času Michelangela. Toda do začetka devetnajstega stoletja je ta pojav veljal izključno za smešen pojav. Poleg tega je znanstvenike vedno sponzoriral bogat filantrop - grof, vojvoda ali kralj. In vloženi denar, kot veste, bi se moral izplačati. Torej so morali fiziki in kemiki delati tako, da se je vojaška moč plemiča povečala, da je prejel več dobička ali užival v svetlem spektaklu.
Nekateri poskusi so bili gostom prikazani kot znak moči lastnika denarja. Galileo je Jupitrove lune, ki jih je odkril, poimenoval v čast svojega zavetnika, Medičija. Tako je bilo z elektriko. Faradayjevi poskusi so eksperimentalno potrdili elektromagnetno indukcijo. Toda pred njim je bil Oerstedov študij.
električni ali magnetni?
Magnet (glavni del kompasa) so uporabljali mornarji, ki so odkrili Ameriko, Avstralijo in pot v Indijo. Elektrika je bila zanimiva zabava. Leta 1820 je danski znanstvenik Hans Christian Oersted dokazal povezavo med magnetnimi in električnimi lastnostmi prevodnikov. Njegov eksperiment je bil predhodnik Faradayevega eksperimenta, fenomena elektromagnetne indukcije in vsega, kar je sledilo iz odkritij tistih let.
Oersted je torej vzel linearni prevodnik (debelo žico) in pod njo postavil magnetno iglo. Ko je znanstvenik sprožil tok, so se pola magneta premaknili: puščica je stala pravokotno na prevodnik. Fizik je poskus večkrat ponovil,spremenili geometrijo poskusa in smer toka v prevodniku. Rezultat je bil enak: lokacija polov magnetne igle je bila vedno enaka glede na vektor gibanja elektronov. Zdaj se zdi ta izkušnja zelo preprosta in razumljiva. Toda odkritje je imelo daljnosežne posledice: Oersted je dokazal neposredno povezavo med električnim in magnetnim poljem.
Lastninsko razmerje
Toda če bi električni tok lahko vplival na magnet, bi lahko magnet povzročil premikanje elektronov? To je Faraday poskušal dokazati s poskusom, katerega opis bomo zdaj podali.
Znanstvenik je žico navil v spiralo (tuljavo), nanjo priključil napravo za zaznavanje toka in v strukturo pripeljal magnet. Igla merilnika je utripala. Izkušnja se je izkazala za uspešno. V prihodnosti je Michael Faraday uporabil različne pristope in ugotovil: če namesto magneta vzamemo eno tuljavo in v njej vzbudimo tok, se bo tok pojavil tudi v sosednji tuljavi. Interakcija je še učinkovitejša, če je prevodno jedro vstavljeno v zavoje obeh vijačnic.
Zakon elektromagnetne indukcije
Faradayev zakon indukcije za zaprto vezje je izražen s formulo: ε=-dΦ / dt.
Tukaj je ε elektromotorna sila, zaradi katere se elektroni premikajo v prevodniku (skrajšano kot EMF), Φ je velikost magnetnega toka, ki trenutno teče skozi dano območje, in t je čas.
Ta formula je diferencialna. To pomeni, da je treba EMF izračunati za vsa majhna časovna obdobja z uporabo majhnih kosov površine. AMPAKda dobimo celotno elektromotorno silo, je treba rezultat sešteti.
Minus v formuli je posledica Lenzovega pravila. Piše: Indukcijska emf je usmerjena tako, da tok pod napetostjo blokira spremembo smeri toka.
To pravilo je precej enostavno razložiti s primerom: ko se tok v prvi tuljavi poveča, se bo povečal tudi tok v drugi; ko se tok v prvi tuljavi zmanjša, bo oslabel tudi inducirani.
Uporaba Faradayevega zakona
Sodobno življenje je nepredstavljivo brez elektrike. V filmu Dan, ko je Zemlja obstala, lik Keanuja Reevesa spremeni potek človeške zgodovine tako, da izklopi generatorje. Zdaj ne bomo govorili o mehanizmih tega incidenta. Fikcija daje domišljiji prosto pot, vendar ne opisuje možnosti. Toda posledice takega pojava bi bile resnično globalne: od uničenja mestne infrastrukture do lakote. Ljudje bi dejansko morali obnoviti svojo civilizacijo, da bi se prilagodili obstoju brez elektrike.
Številni avtorji znanstvene fantastike izkoriščajo zaplet globalne katastrofe. Poleg izpada električne energije so razlogi za tako veliko spremembo:
- tuja invazija;
- napačen bakteriološki poskus;
- naključno odkritje fizikalnega zakona, ki spremeni strukturo snovi (na primer led-9);
- jedrska vojna ali katastrofa;
- evolucijski skok ljudi (novo človeštvo preprosto ne potrebuje tehnologije).
Iskanje virov energije jeločeno področje človeške dejavnosti. Ljudje uporabljajo energijo fosilnih virov, vode, vetra, valov, toploto podzemnih termalnih voda in atoma za pridobivanje električne energije. Vse postaje delujejo po principu, katerega obstoj je v svojih poskusih dokazal Faraday. Še več, shema za proizvodnjo električne energije se ne razlikuje preveč od njegovega eksperimenta: določena sila vrti ogromen magnet (rotor), ki pa vzbudi tok v tuljavah.
Seveda so ljudje našli odličen material za jedra, naučili so se izdelati ogromne tuljave, veliko bolje izolirati plasti navijanja drug od drugega. Toda na splošno sodobna civilizacija temelji na izkušnji, ki jo je ustvaril Michael Faraday avgusta 1831.
