Dnes odhalíme takový fenomén fyziky, jako je „zákon elektromagnetické indukce“. Řekneme vám, proč Faraday prováděl experimenty, uvedeme vzorec a vysvětlíme důležitost tohoto jevu pro každodenní život.
Starověcí bohové a fyzika
Starověcí lidé uctívali neznámo. A teď se člověk bojí mořských hlubin a vzdálenosti vesmíru. Ale věda může vysvětlit proč. Ponorky zachycují neuvěřitelný život oceánů v hloubce více než kilometr, vesmírné teleskopy studují objekty, které existovaly jen několik milionů let po velkém třesku.
Ale pak lidé zbožštili vše, co je fascinovalo a znepokojovalo:
- sunrise;
- probouzející se rostliny na jaře;
- rain;
- narození a smrt.
V každém předmětu a jevu žily neznámé síly, které vládly světu. Až dosud mají děti tendenci nábytek a hračky polidšťovat. Když jsou ponecháni bez dozoru dospělých, fantazírují: deka obejme, stolička se vejde, okno se samo otevře.
Snad prvním evolučním krokem lidstva byla schopnost udržovat seoheň. Antropologové předpokládají, že první ohně byly zapáleny ze stromu zasaženého bleskem.
Elektřina tedy hrála v životě lidstva obrovskou roli. První blesk dal impuls rozvoji kultury, základní zákon elektromagnetické indukce přivedl lidstvo do současného stavu.
Od octa k jadernému reaktoru
V Cheopsově pyramidě byly nalezeny podivné keramické nádoby: hrdlo je zapečetěno voskem, v hlubinách je skrytý kovový válec. Na vnitřní straně stěn byly nalezeny zbytky octa nebo kyselého vína. Vědci došli k senzačnímu závěru: tento artefakt je baterie, zdroj elektřiny.
Do roku 1600 se však nikdo nezavázal tento fenomén zkoumat. Před pohybem elektronů byla zkoumána povaha statické elektřiny. Staří Řekové věděli, že jantar vypouští, když se otírá o srst. Barva tohoto kamene jim připomínala světlo hvězdy Electra z Plejád. A jméno minerálu se stalo důvodem k pokřtíní fyzikálního jevu.
První primitivní DC zdroj byl postaven v roce 1800
Samozřejmě, jakmile se objevil dostatečně výkonný kondenzátor, vědci začali studovat vlastnosti vodiče, který je k němu připojen. V roce 1820 dánský vědec Hans Christian Oersted objevil, že magnetická střelka se odchýlila vedle vodiče zahrnutého v síti. Tato skutečnost dala podnět k objevu zákona elektromagnetické indukce Faradayem (vzorec bude uveden níže), který umožnil lidstvu extrahovatelektřina z vody, větru a jaderného paliva.
Primitivní, ale moderní
Fyzický základ experimentů Maxe Faradaye položil Oersted. Pokud spínaný vodič působí na magnet, pak platí i opak: zmagnetizovaný vodič musí indukovat proud.
Struktura experimentu, který pomohl odvodit zákon elektromagnetické indukce (EMF jako koncept, kterému se budeme věnovat o něco později), byla docela jednoduchá. Drát navinutý do pružiny je připojen k zařízení, které registruje proud. Vědec přinesl k cívkám velký magnet. Zatímco se magnet pohyboval vedle obvodu, zařízení zaregistrovalo tok elektronů.
Technika se od té doby zlepšila, ale základní princip výroby elektřiny na obrovských stanicích je stále stejný: pohybující se magnet budí proud ve vodiči navinutém pružinou.
Vývoj nápadů
Úplně první zkušenost přesvědčila Faradaye, že elektrická a magnetická pole jsou vzájemně propojena. Bylo ale potřeba zjistit jak přesně. Vzniká magnetické pole také kolem vodiče s proudem, nebo se prostě mohou navzájem ovlivňovat? Vědec proto šel dále. Navinul jeden drát, přivedl k němu proud a vtlačil tuto cívku do další pružiny. A také dostal elektřinu. Tato zkušenost prokázala, že pohybující se elektrony vytvářejí nejen elektrické, ale i magnetické pole. Později vědci přišli na to, jak se nacházejí ve vesmíru vůči sobě navzájem. Elektromagnetické pole je také důvodem, proč existujesvětlo.
Při experimentování s různými možnostmi interakce živých vodičů Faraday zjistil, že proud se nejlépe přenáší, pokud jsou první i druhá cívka navinuty na jednom společném kovovém jádru. Vzorec vyjadřující zákon elektromagnetické indukce byl odvozen na tomto zařízení.
Vzorec a jeho složky
Nyní, když byla historie studia elektřiny přenesena do Faradayova experimentu, je čas napsat vzorec:
ε=-dΦ / dt.
Dešifrovat:
ε je elektromotorická síla (zkráceně EMF). V závislosti na hodnotě ε se elektrony pohybují ve vodiči intenzivněji nebo slaběji. Síla zdroje ovlivňuje EMF a síla elektromagnetického pole jej ovlivňuje.
Φ je velikost magnetického toku, který aktuálně prochází danou oblastí. Faraday smotal drát do pružiny, protože potřeboval určitý prostor, kterým by vodič procházel. Samozřejmě by bylo možné vyrobit velmi silný vodič, ale to by bylo drahé. Vědec zvolil kruhový tvar, protože tato plochá postava má největší poměr plochy k délce povrchu. Toto je energeticky nejúčinnější forma. Proto se kapky vody na rovném povrchu zakulacují. Kromě toho je mnohem snazší získat pružinu s kulatou částí: stačí omotat drát kolem nějakého kulatého předmětu.
t je doba, kterou toku trvalo, než prošel smyčkou.
Předpona d ve vzorci zákona elektromagnetické indukce znamená, že hodnota je diferenciální. Tjmalý magnetický tok musí být diferencován v malých časových intervalech, aby se získal konečný výsledek. Tato matematická akce vyžaduje od lidí určitou přípravu. Abychom lépe porozuměli vzorci, důrazně doporučujeme, aby si čtenář vzpomněl na diferenciaci a integraci.
Důsledky zákona
Bezprostředně po Faradayově objevu začali fyzici zkoumat fenomén elektromagnetické indukce. Lenzův zákon například experimentálně odvodil ruský vědec. Právě toto pravidlo přidalo do konečného vzorce mínus.
Vypadá takto: směr indukčního proudu není náhodný; tok elektronů ve druhém vinutí má tendenci snižovat účinek proudu v prvním vinutí. To znamená, že výskyt elektromagnetické indukce je ve skutečnosti odporem druhé pružiny vůči interferenci v "osobním životě".
Lenzovo pravidlo má ještě jeden následek.
- pokud se proud v první cívce zvýší, pak se bude zvyšovat i proud druhé pružiny;
- pokud klesne proud v indukčním vinutí, sníží se i proud v druhém vinutí.
Podle tohoto pravidla má vodič, ve kterém se vyskytuje indukovaný proud, ve skutečnosti tendenci kompenzovat vliv měnícího se magnetického toku.
Zrno a osel
Používejte ty nejjednodušší mechanismy ve svůj vlastní prospěch, o to lidé usilovali už dlouhou dobu. Mletí mouky je dřina. Některé kmeny melou obilí ručně: položte pšenici na jeden kámen, přikryjte druhým plochým a kulatým kamenem a otáčejtemlýnský kámen. Ale pokud potřebujete namlít mouku pro celou vesnici, pak to nezvládnete pouze svalovou prací. Lidé nejprve hádali, že k mlýnskému kameni přivážou tažné zvíře. Osel zatáhl za lano - kámen se otočil. Pak si lidé pravděpodobně mysleli: „Řeka neustále teče, tlačí všemožné věci po proudu. Proč to nepoužijeme k dobrému? Tak vznikly vodní mlýny.
Kolo, voda, vítr
Samozřejmě, že první inženýři, kteří tyto stavby postavili, nevěděli nic o gravitační síle, kvůli které má voda vždy tendenci klesat, ani o síle tření nebo povrchového napětí. Ale viděli: když do potoka nebo řeky umístíte kolo s lopatkami na průměr, bude se nejen otáčet, ale bude také schopno dělat užitečnou práci.
Ale i tento mechanismus byl omezený: ne všude je tekoucí voda s dostatečnou proudovou silou. Lidé tedy šli dál. Postavili mlýny, které byly poháněny větrem.
Uhlí, topný olej, benzín
Když vědci pochopili princip buzení elektřiny, byl stanoven technický úkol: získat ji v průmyslovém měřítku. V té době (polovina devatenáctého století) byl svět v horečce strojů. Snažili se svěřit veškerou nelehkou práci rozšiřující se dvojici.
Velké objemy vody však dokázaly ohřát pouze fosilní paliva, uhlí a topný olej. Proto ty oblasti světa, které byly bohaté na staré uhlíky, okamžitě přitáhly pozornost investorů a pracovníků. A přerozdělení lidí vedlo k průmyslové revoluci.
Holandsko aTexas
Tento stav však měl špatný dopad na životní prostředí. A vědci si mysleli: jak získat energii, aniž byste zničili přírodu? Zachráněný dobře zapomenutý starý. Mlýn používal točivý moment k přímé hrubé mechanické práci. Turbíny vodních elektráren otáčí magnety.
V současné době pochází nejčistší elektřina z větrné energie. Inženýři, kteří postavili první generátory v Texasu, čerpali ze zkušeností větrných mlýnů v Holandsku.
