Faradayov zakon in izkušnje

Danes se bomo pogovarjali o izkušnji Faradaya, angleškega fizika in pomenu elektromagnetne indukcije v sodobnem svetu.

Sonce, strela, vulkan

Starodavni ljudje so častili nerazumljivo. Govorimo o časih, ko je najnaprednejši izum sposobnost kombiniranja palice in kamna v najpreprostejši orodje. Razlaga ni bila dnevna pot Sonca, faze lune, vulkani, nastanek strele in grom.

Z nevihtami ima človeštvo ločen roman. Ogenj je razkril temo, dal občutek varnosti, navdihnila odkritja. In znanstveniki nakazujejo, da je bil prvovrstni požar ustvarjen iz lesa, ki ga je strela strela.

Kladivo in magnet

Nekoliko kasneje so se ljudje naučili uporabljati toploto za taljenje kovin. Pojavila so se prva močna orodja, ki so pripomogla k premagovanju okoliške narave. Na ekskluzivno eksperimentalni način so se različni mojstri zagotovo zatekli k nenavadnim in čudnim incidentom. Na primer, en kos železa se lahko nenadoma začne premikati v prisotnosti drugega (magnetizem). V devetnajstem stoletju so ti pojavi razložili eksperimente Faradayja (takrat je nastala elektromagnetna indukcija v sodobnem pomenu).

Znanost in kralje

Električni tok je znan že dolgo. Da bi razlikovali železo iz stekla na sposobnost vodenja elektrona, so lahko v času Michelangela. Toda pred začetkom devetnajstega stoletja je ta pojav veljal izključno kot zabaven pojav. Poleg tega so znanstveniki vedno sponzorirali bogatega filantropa - grofa, vojvode ali kralja. In vloženi denar, kot veste, bi moral izplačati. Tako so morali fiziki in kemiki delati tako, da se je okrepila vojaška moč plemiča, dobil bi velik dobiček ali užival svetel spektakel.

Nekatere eksperimente so gostom pokazale kot znak moči lastnika denarja. Galileo je imenoval satelite Jupitra, ki so jih odkrili v čast svojega pokrovitelja Medici. Torej je bilo z električno energijo. Poskusi Faradayjeva elektromagnetna indukcija je eksperimentalno potrdila. Toda pred njim so študije Oersteda.

Električni ali magnetni?

Magnet (glavni del kompasa) so uporabljali mornarji, ki so odkrili Ameriko, Avstralijo in pot v Indijo. Električna energija je bila zanimiva zabava. Leta 1820 je danski znanstvenik Hans Christian Oersted dokazal povezavo med magnetnimi in električnimi lastnostmi vodnikov. Njegov eksperiment je bil predhodnik Faradayjeve izkušnje, pojav elektromagnetne indukcije in vse, kar je sledilo odkritjem tistih let.

Torej, Oersted je vzel linearni vodnik (debela žica) in pod njim postavil magnetno iglo. Ko je znanstvenik pustil trenutni tok, se magnetni poli premikajo: puščica se je dvignila pravokotno na vodnika. Fizikar je večkrat ponovil poskus, spremenil geometrijo eksperimenta in smer toka v prevodniku. Rezultat je bil enak: lokacija polov magnetne igle je bila vedno enaka glede na vektor gibanja elektronov. Ta izkušnja se zdi zelo preprosta in razumljiva. Toda odkritje je imelo daljnosežne posledice: Oersted je dokazal neposredno povezavo med električnimi in magnetnimi polji.

Razmerje lastnosti

Ker pa je električni tok vplival na magnet, bi lahko magnet povzročil gibanje elektronov? To je tisto, kar je poskušalo dokazati izkušnjo Faradaya, opis katerega zdaj podajamo.

Znanstvenik je pregibal žico v spiralo (tuljavo), ki je povezal z njim napravo za snemanje toka in prinesla v strukturo magnet. Puščica merilnika se je pomaknila. Izkušnja je bila uspešna. Kasneje je Michael Faraday uporabil različne pristope in izvedel: če namesto magneta vzamete eno tuljavo in vzbujate tok v njem, se bo v naslednjem tuljavi pojavil tudi tok. Interakcija je še bolj učinkovita, ko je prevodno jedro vstavljeno znotraj tuljav obeh spiral.

Zakon elektromagnetne indukcije

Faradayjev indukcijski zakon za zaprto zanko je izražen s formulo: epsilon- = -dPhi- / dt.

Tukaj epsilon- je elektromotorna sila, ki povzroči, da se elektroni premikajo v prevodniku (skrajšani EMF), Phi je magnituda magnetnega pretoka, ki v določenem trenutku prehaja skozi določeno območje in t je čas.

Ta formula je diferencialna. Zato je treba izračunati EMF za vse majhne dolžine časa na majhnih delih površine. Da bi dobili popolno elektromotorno silo, je treba izslediti rezultat.

Minus v formuli je posledica Lenzovega pravila. Piše: EMF indukcije je usmerjen tako, da vzburjen tok blokira spremembo smeri pretoka.

To pravilo pojasnimo s primerom je zelo enostavno: s povečanjem toka v prvi tuljavi se tudi tok druge tuljave poveča, ker se tok v prvem tuljavu zmanjša, inducirana tuljava se tudi oslabi.

Uporaba zakona Faraday

Sodobnega življenja ni mogoče zamisliti brez električne energije. V filmu "Dan je ostala Zemlja ostala," junak Keanu Reeves spreminja potek človeške zgodovine, samo izklopi generatorje. Sedaj ne bomo govorili o mehanizmih tega incidenta. Fantazija daje domišljiji svobodo, vendar ne opiše možnosti. Toda posledice tega pojava bi bile resnično globalne: od uničenja infrastrukture mest do lakote. Ljudje bi morali dejansko ponovno zgraditi civilizacijo, da bi se prilagodili obstoju brez električne energije.

Mnogi fantazijski pisatelji izkoriščajo ploskve globalne katastrofe. Razen izklopa električne energije so razlogi za takšne resne spremembe:

• tuje invazije;
• nepravilno opravljen bakteriološki poskus;
• naključno odkritje fizičnega zakona, ki spreminja strukturo snovi (na primer, led-9);
• jedrska vojna ali nesreča;
• evolucijski preskok ljudi (novo človeštvo samo ne potrebuje tehnike).

Iskanje virov energije je ločeno področje človeške dejavnosti. Ljudje uporabljajo energijo fosilnih virov, vode, vetra, valov, toplote podzemnih termalnih voda in atoma za pridobivanje električne energije. Vse postaje delujejo zahvaljujoč načelu, katerega obstoj je dokazal Faraday v svojih eksperimentih. Še več, shema pridobivanja električne energije ni preveč drugačna od njegovega eksperimenta: določena moč vrti velik magnet (rotor), ki pa vzbuja tok v tuljavah.

Seveda so ljudje našli odlične materiale za jedra, naučili se narediti ogromne bobine, veliko bolje izolirati plasti navijanja drug od drugega. Na splošno sodobna civilizacija temelji na izkušnjah, ki jih je avgusta 1831 izdelal Michael Faraday.