Σήμερα θα αποκαλύψουμε ένα τέτοιο φαινόμενο της φυσικής όπως ο «νόμος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής». Θα σας πούμε γιατί ο Faraday έκανε πειράματα, θα δώσουμε έναν τύπο και θα εξηγήσουμε τη σημασία του φαινομένου για την καθημερινή ζωή.
Αρχαίοι θεοί και φυσική
Οι αρχαίοι άνθρωποι λάτρευαν το άγνωστο. Και τώρα ένας άνθρωπος φοβάται τα βάθη της θάλασσας και την απόσταση του διαστήματος. Αλλά η επιστήμη μπορεί να εξηγήσει γιατί. Τα υποβρύχια καταγράφουν την απίστευτη ζωή των ωκεανών σε βάθος μεγαλύτερο από ένα χιλιόμετρο, τα διαστημικά τηλεσκόπια μελετούν αντικείμενα που υπήρχαν μόνο λίγα εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Αλλά μετά οι άνθρωποι θεοποίησαν ό,τι τους γοήτευε και τους ενοχλούσε:
- ανατολή;
- αφύπνιση φυτών την άνοιξη;
- βροχή;
- γέννηση και θάνατος.
Σε κάθε αντικείμενο και φαινόμενο ζούσαν άγνωστες δυνάμεις που κυβέρνησαν τον κόσμο. Μέχρι τώρα, τα παιδιά τείνουν να εξανθρωπίζουν τα έπιπλα και τα παιχνίδια. Αφήνοντας τους μεγάλους χωρίς επίβλεψη, φαντασιώνονται: μια κουβέρτα θα αγκαλιάσει, ένα σκαμπό θα χωρέσει, το παράθυρο θα ανοίξει μόνο του.
Ίσως το πρώτο εξελικτικό βήμα της ανθρωπότητας ήταν η ικανότητα να διατηρείη φωτιά. Οι ανθρωπολόγοι προτείνουν ότι οι πρώτες φωτιές άναβαν από ένα δέντρο που χτυπήθηκε από κεραυνό.
Έτσι, ο ηλεκτρισμός έχει παίξει τεράστιο ρόλο στη ζωή της ανθρωπότητας. Ο πρώτος κεραυνός έδωσε ώθηση στην ανάπτυξη του πολιτισμού, ο βασικός νόμος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής έφερε την ανθρωπότητα στη σημερινή κατάσταση.
Από το ξύδι στον πυρηνικό αντιδραστήρα
Παράξενα κεραμικά αγγεία βρέθηκαν στην πυραμίδα του Χέοπα: ο λαιμός είναι σφραγισμένος με κερί, ένας μεταλλικός κύλινδρος είναι κρυμμένος στα βάθη. Στο εσωτερικό των τοίχων βρέθηκαν υπολείμματα από ξύδι ή ξινό κρασί. Οι επιστήμονες κατέληξαν σε ένα συγκλονιστικό συμπέρασμα: αυτό το τεχνούργημα είναι μια μπαταρία, μια πηγή ηλεκτρισμού.
Αλλά μέχρι το 1600 κανείς δεν ανέλαβε να μελετήσει αυτό το φαινόμενο. Πριν κινηθούν τα ηλεκτρόνια, διερευνήθηκε η φύση του στατικού ηλεκτρισμού. Οι αρχαίοι Έλληνες γνώριζαν ότι το κεχριμπάρι βγάζει εκκρίσεις εάν τρίβεται στη γούνα. Το χρώμα αυτής της πέτρας τους θύμιζε το φως του άστρου Ηλέκτρας από τις Πλειάδες. Και το όνομα του ορυκτού έγινε, με τη σειρά του, η αφορμή για να βαφτιστεί το φυσικό φαινόμενο.
Η πρώτη πρωτόγονη πηγή DC κατασκευάστηκε το 1800
Φυσικά, μόλις εμφανίστηκε ένας αρκετά ισχυρός πυκνωτής, οι επιστήμονες άρχισαν να μελετούν τις ιδιότητες του αγωγού που ήταν συνδεδεμένος με αυτόν. Το 1820, ο Δανός επιστήμονας Hans Christian Oersted ανακάλυψε ότι μια μαγνητική βελόνα παρεκκλίνει δίπλα σε έναν αγωγό που περιλαμβάνεται στο δίκτυο. Αυτό το γεγονός έδωσε ώθηση στην ανακάλυψη του νόμου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής από τον Faraday (ο τύπος θα δοθεί παρακάτω), ο οποίος επέτρεψε στην ανθρωπότητα να εξάγειηλεκτρική ενέργεια από νερό, άνεμο και πυρηνικά καύσιμα.
Πρωτόγονο αλλά σύγχρονο
Η φυσική βάση των πειραμάτων του Max Faraday τέθηκε από τον Oersted. Εάν ένας αγωγός μεταγωγής επηρεάζει έναν μαγνήτη, τότε ισχύει και το αντίθετο: ένας μαγνητισμένος αγωγός πρέπει να προκαλέσει ρεύμα.
Η δομή του πειράματος που βοήθησε στην εξαγωγή του νόμου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής (Η EMF ως έννοια θα εξετάσουμε λίγο αργότερα) ήταν αρκετά απλή. Ένα σύρμα τυλιγμένο σε ένα ελατήριο συνδέεται με μια συσκευή που καταγράφει το ρεύμα. Ο επιστήμονας έφερε έναν μεγάλο μαγνήτη στα πηνία. Ενώ ο μαγνήτης κινούνταν δίπλα στο κύκλωμα, η συσκευή κατέγραψε τη ροή των ηλεκτρονίων.
Η τεχνική έχει βελτιωθεί από τότε, αλλά η βασική αρχή της δημιουργίας ηλεκτρικής ενέργειας σε τεράστιους σταθμούς παραμένει η ίδια: ένας κινούμενος μαγνήτης διεγείρει ένα ρεύμα σε έναν αγωγό που τυλίγεται από ένα ελατήριο.
Ανάπτυξη ιδεών
Η πρώτη κιόλας εμπειρία έπεισε τον Faraday ότι τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία είναι αλληλένδετα. Ήταν όμως απαραίτητο να μάθουμε πώς ακριβώς. Αναδύεται επίσης ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα ή είναι απλά σε θέση να επηρεάσει ο ένας τον άλλον; Ως εκ τούτου, ο επιστήμονας προχώρησε παραπέρα. Τύλιξε ένα καλώδιο, έφερε ρεύμα σε αυτό και έσπρωξε αυτό το πηνίο σε ένα άλλο ελατήριο. Και πήρε και ρεύμα. Αυτή η εμπειρία απέδειξε ότι τα κινούμενα ηλεκτρόνια δημιουργούν όχι μόνο ένα ηλεκτρικό αλλά και ένα μαγνητικό πεδίο. Αργότερα, οι επιστήμονες κατάλαβαν πώς βρίσκονται στο διάστημα σε σχέση μεταξύ τους. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι επίσης ο λόγος που υπάρχειφως.
Πειραματιζόμενος με διαφορετικές επιλογές για την αλληλεπίδραση ενεργών αγωγών, ο Faraday ανακάλυψε ότι το ρεύμα μεταδίδεται καλύτερα εάν τόσο το πρώτο όσο και το δεύτερο πηνίο τυλίγονται σε έναν κοινό μεταλλικό πυρήνα. Ο τύπος που εκφράζει το νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής προήλθε σε αυτήν τη συσκευή.
Ο τύπος και τα συστατικά του
Τώρα που η ιστορία της μελέτης του ηλεκτρισμού έφτασε στο πείραμα Faraday, ήρθε η ώρα να γράψουμε τον τύπο:
ε=-dΦ / dt.
Αποκρυπτογράφηση:
ε είναι η ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF για συντομία). Ανάλογα με την τιμή του ε, τα ηλεκτρόνια κινούνται πιο έντονα ή πιο αδύναμα στον αγωγό. Η ισχύς της πηγής επηρεάζει το EMF και η ισχύς του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου το επηρεάζει.
Φ είναι το μέγεθος της μαγνητικής ροής που διέρχεται αυτήν τη στιγμή από μια δεδομένη περιοχή. Ο Faraday τύλιξε το σύρμα σε ένα ελατήριο, επειδή χρειαζόταν ένα συγκεκριμένο χώρο από τον οποίο θα περνούσε ο αγωγός. Φυσικά, θα ήταν δυνατό να κατασκευαστεί ένας πολύ χοντρός αγωγός, αλλά αυτό θα ήταν ακριβό. Ο επιστήμονας επέλεξε το σχήμα του κύκλου επειδή αυτή η επίπεδη φιγούρα έχει τη μεγαλύτερη αναλογία επιφάνειας προς μήκος επιφάνειας. Αυτή είναι η πιο ενεργειακά αποδοτική μορφή. Επομένως, τα σταγονίδια νερού σε μια επίπεδη επιφάνεια γίνονται στρογγυλά. Επιπλέον, είναι πολύ πιο εύκολο να αποκτήσετε ένα ελατήριο με στρογγυλό τμήμα: απλά πρέπει να τυλίγετε το σύρμα γύρω από κάποιο στρογγυλό αντικείμενο.
t είναι ο χρόνος που χρειάστηκε η ροή για να περάσει από τον βρόχο.
Το πρόθεμα d στον τύπο του νόμου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής σημαίνει ότι η τιμή είναι διαφορική. Δηλμια μικρή μαγνητική ροή πρέπει να διαφοροποιείται σε μικρά χρονικά διαστήματα για να ληφθεί το τελικό αποτέλεσμα. Αυτή η μαθηματική δράση απαιτεί κάποια προετοιμασία από τους ανθρώπους. Για να κατανοήσει καλύτερα τον τύπο, ενθαρρύνουμε θερμά τον αναγνώστη να θυμηθεί τη διαφοροποίηση και την ολοκλήρωση.
Συνέπειες του νόμου
Αμέσως μετά την ανακάλυψη του Faraday, οι φυσικοί άρχισαν να ερευνούν το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Ο νόμος του Lenz, για παράδειγμα, προήλθε πειραματικά από έναν Ρώσο επιστήμονα. Αυτός ήταν ο κανόνας που πρόσθεσε ένα μείον στον τελικό τύπο.
Μοιάζει με αυτό: η κατεύθυνση του ρεύματος επαγωγής δεν είναι τυχαία. η ροή των ηλεκτρονίων στη δεύτερη περιέλιξη, όπως ήταν, τείνει να μειώσει την επίδραση του ρεύματος στην πρώτη περιέλιξη. Δηλαδή, η εμφάνιση ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής είναι στην πραγματικότητα η αντίσταση του δεύτερου ελατηρίου σε παρεμβολές στην «προσωπική ζωή».
Ο κανόνας του Lenz έχει μια άλλη συνέπεια.
- αν το ρεύμα στο πρώτο πηνίο αυξηθεί, τότε το ρεύμα του δεύτερου ελατηρίου θα τείνει επίσης να αυξηθεί.
- εάν το ρεύμα στο τύλιγμα επαγωγής πέσει, το ρεύμα στο δεύτερο τύλιγμα θα μειωθεί επίσης.
Σύμφωνα με αυτόν τον κανόνα, ένας αγωγός στον οποίο εμφανίζεται ένα επαγόμενο ρεύμα τείνει στην πραγματικότητα να αντισταθμίζει την επίδραση μιας μεταβαλλόμενης μαγνητικής ροής.
Σιτάρι και γάιδαρος
Χρησιμοποιήστε τους πιο απλούς μηχανισμούς για δικό τους όφελος, οι άνθρωποι προσπαθούν εδώ και πολύ καιρό. Το τρίψιμο του αλευριού είναι σκληρή δουλειά. Μερικές φυλές αλέθουν τα σιτηρά με το χέρι: βάλτε σιτάρι σε μια πέτρα, καλύψτε με μια άλλη επίπεδη και στρογγυλή πέτρα και στριφογυρίστεμυλόπετρα. Αλλά αν χρειαστεί να αλέσετε αλεύρι για ένα ολόκληρο χωριό, τότε δεν μπορείτε να το κάνετε μόνο με μυϊκή εργασία. Στην αρχή, οι άνθρωποι μάντεψαν ότι θα δέσουν ένα ζώο έλξης στη μυλόπετρα. Ο γάιδαρος τράβηξε το σχοινί - η πέτρα γύρισε. Τότε, μάλλον, ο κόσμος σκέφτηκε: «Το ποτάμι κυλάει συνέχεια, σπρώχνει κάθε λογής πράγματα προς τα κάτω. Γιατί δεν το χρησιμοποιούμε για καλό;». Έτσι εμφανίστηκαν οι νερόμυλοι.
Τροχός, νερό, άνεμος
Φυσικά, οι πρώτοι μηχανικοί που κατασκεύασαν αυτές τις κατασκευές δεν γνώριζαν τίποτα για τη δύναμη της βαρύτητας, λόγω της οποίας το νερό τείνει πάντα να πέφτει, ούτε για τη δύναμη της τριβής ή της επιφανειακής τάσης. Αλλά είδαν: αν βάλετε έναν τροχό με λεπίδες σε διάμετρο σε ρέμα ή ποτάμι, τότε όχι μόνο θα περιστραφεί, αλλά και θα μπορεί να κάνει χρήσιμη δουλειά.
Αλλά ακόμη και αυτός ο μηχανισμός ήταν περιορισμένος: δεν υπάρχει παντού τρεχούμενο νερό με αρκετή ένταση ρεύματος. Έτσι ο κόσμος προχώρησε. Έφτιαξαν μύλους που τροφοδοτούνταν από τον άνεμο.
Άνθρακας, μαζούτ, βενζίνη
Όταν οι επιστήμονες κατάλαβαν την αρχή της διέγερσης του ηλεκτρισμού, τέθηκε ένα τεχνικό καθήκον: η απόκτησή του σε βιομηχανική κλίμακα. Εκείνη την εποχή (μέσα του δέκατου ένατου αιώνα) ο κόσμος βρισκόταν σε πυρετό μηχανών. Προσπάθησαν να εμπιστευτούν όλη τη δύσκολη δουλειά στο διευρυνόμενο ζευγάρι.
Αλλά τότε μόνο τα ορυκτά καύσιμα, ο άνθρακας και το μαζούτ, μπορούσαν να θερμάνουν μεγάλους όγκους νερού. Ως εκ τούτου, εκείνες οι περιοχές του κόσμου που ήταν πλούσιες σε αρχαίους άνθρακες τράβηξαν αμέσως την προσοχή των επενδυτών και των εργαζομένων. Και η ανακατανομή των ανθρώπων οδήγησε στη βιομηχανική επανάσταση.
Ολλανδία καιΤέξας
Ωστόσο, αυτή η κατάσταση είχε άσχημη επίδραση στο περιβάλλον. Και οι επιστήμονες σκέφτηκαν: πώς να αποκτήσετε ενέργεια χωρίς να καταστρέψετε τη φύση; Διασώθηκε καλά ξεχασμένο παλιό. Ο μύλος χρησιμοποιούσε ροπή για να κάνει απευθείας σκληρές μηχανικές εργασίες. Οι τουρμπίνες των υδροηλεκτρικών σταθμών περιστρέφουν μαγνήτες.
Επί του παρόντος, η καθαρότερη ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από την αιολική ενέργεια. Οι μηχανικοί που κατασκεύασαν τις πρώτες γεννήτριες στο Τέξας βασίστηκαν στην εμπειρία των ανεμόμυλων στην Ολλανδία.
