Σήμερα θα μιλήσουμε για την εμπειρία του Faraday, ενός Άγγλου φυσικού, και τη σημασία της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής στον σύγχρονο κόσμο.
Ήλιος, κεραυνός, ηφαίστειο
Οι αρχαίοι άνθρωποι λάτρευαν το ακατανόητο. Μιλάμε για τις εποχές που η πιο προηγμένη εφεύρεση ήταν η ικανότητα να συνδυάζεις ένα ραβδί και μια πέτρα σε ένα απλό εργαλείο. Δεν υπήρχε εξήγηση για την καθημερινή πορεία του Ήλιου, τις φάσεις της Σελήνης, τα ηφαίστεια, την εμφάνιση κεραυνών και βροντών.
Με τις καταιγίδες, η ανθρωπότητα έχει ένα ξεχωριστό μυθιστόρημα. Η φωτιά διέλυσε το σκοτάδι, έδωσε μια αίσθηση ασφάλειας, ενέπνευσε ανακαλύψεις. Και οι επιστήμονες προτείνουν ότι η πρώτη ελεγχόμενη φωτιά δημιουργήθηκε από ξύλο που πυρπολήθηκε από κεραυνό.
Σφυρί και μαγνήτης
Λίγο αργότερα, οι άνθρωποι έμαθαν να χρησιμοποιούν τη θερμότητα για να λιώνουν μέταλλο. Εμφανίστηκαν τα πρώτα δυνατά εργαλεία που βοήθησαν στην κατάκτηση της γύρω φύσης. Πηγαίνοντας αποκλειστικά με πείραμα, διαφορετικοί δάσκαλοι πιθανώς έπεσαν πάνω σε ασυνήθιστα και περίεργα περιστατικά. Για παράδειγμα, ένα κομμάτι σιδήρου θα μπορούσε ξαφνικά να μετακινηθεί παρουσία ενός άλλου (μαγνητισμός). Τον δέκατο ένατο αιώνα, αυτά τα φαινόμενα εξηγήθηκαν από τα πειράματα του Faraday (η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή με τη σύγχρονη έννοια προέκυψε ακριβώς τότε).
Επιστήμη καιβασιλιάδες
Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι γνωστό εδώ και πολύ καιρό. Ήξεραν πώς να ξεχωρίζουν το σίδηρο από το γυαλί με την ιδιότητα να αγώγουν τα ηλεκτρόνια στην εποχή του Μιχαήλ Άγγελου. Αλλά μέχρι τις αρχές του δέκατου ένατου αιώνα, αυτό το φαινόμενο θεωρούνταν αποκλειστικά ως ένα αστείο φαινόμενο. Επιπλέον, οι επιστήμονες πάντα επιχορηγούνταν από έναν πλούσιο φιλάνθρωπο - κόμη, δούκα ή βασιλιά. Και τα χρήματα που επενδύθηκαν, όπως γνωρίζετε, θα έπρεπε να έχουν αποδώσει. Έτσι, οι φυσικοί και οι χημικοί έπρεπε να εργαστούν με τέτοιο τρόπο ώστε η στρατιωτική ισχύς του ευγενή να αυξηθεί, να λάβει περισσότερα κέρδη ή να απολαμβάνει ένα φωτεινό θέαμα.
Μερικά πειράματα παρουσιάστηκαν στους καλεσμένους ως ένδειξη της δύναμης του ιδιοκτήτη των χρημάτων. Ο Γαλιλαίος ονόμασε τα φεγγάρια του Δία που ανακάλυψε προς τιμήν του προστάτη του, των Μεδίκων. Έτσι έγινε και με τον ηλεκτρισμό. Τα πειράματα του Faraday επιβεβαίωσαν πειραματικά την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή. Αλλά πριν από αυτόν, υπήρχαν οι μελέτες του Oersted.
Ηλεκτρικό ή μαγνητικό;
Ο μαγνήτης (το κύριο μέρος της πυξίδας) χρησιμοποιήθηκε από ναυτικούς που ανακάλυψαν την Αμερική, την Αυστραλία και τον δρόμο προς την Ινδία. Η ηλεκτρική ενέργεια ήταν ενδιαφέρουσα διασκέδαση. Το 1820, ο Δανός επιστήμονας Hans Christian Oersted απέδειξε τη σύνδεση μεταξύ των μαγνητικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων των αγωγών. Το πείραμά του ήταν ο πρόδρομος του πειράματος του Faraday, του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής και όλων όσων ακολούθησαν από τις ανακαλύψεις εκείνων των χρόνων.
Έτσι, ο Oersted πήρε έναν γραμμικό αγωγό (χοντρό σύρμα) και τοποθέτησε μια μαγνητική βελόνα κάτω από αυτόν. Όταν ο επιστήμονας ξεκίνησε το ρεύμα, οι πόλοι του μαγνήτη μετατοπίστηκαν: το βέλος στεκόταν κάθετα στον αγωγό. Ο φυσικός επανέλαβε το πείραμα πολλές φορές,άλλαξε τη γεωμετρία του πειράματος και την κατεύθυνση του ρεύματος στον αγωγό. Το αποτέλεσμα ήταν το ίδιο: η θέση των πόλων της μαγνητικής βελόνας ήταν πάντα η ίδια σε σχέση με το διάνυσμα κίνησης των ηλεκτρονίων. Τώρα αυτή η εμπειρία φαίνεται πολύ απλή και κατανοητή. Όμως η ανακάλυψη είχε εκτεταμένες συνέπειες: ο Oersted απέδειξε την άμεση σχέση μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων.
Σχέση ιδιοκτησίας
Αλλά εάν το ηλεκτρικό ρεύμα ήταν ικανό να επηρεάσει τον μαγνήτη, τότε ο μαγνήτης θα μπορούσε να προκαλέσει την κίνηση των ηλεκτρονίων; Αυτό προσπάθησε να αποδείξει ο Faraday με το πείραμα, την περιγραφή του οποίου θα δώσουμε τώρα.
Ο επιστήμονας τύλιξε το καλώδιο σε μια σπείρα (πηνίο), συνέδεσε μια συσκευή ανίχνευσης ρεύματος σε αυτό και έφερε έναν μαγνήτη στη δομή. Η βελόνα του μετρητή τρεμόπαιξε. Η εμπειρία αποδείχθηκε επιτυχημένη. Στο μέλλον, ο Michael Faraday εφάρμοσε διάφορες προσεγγίσεις και ανακάλυψε: αν αντί για μαγνήτη πάρουμε ένα πηνίο και διεγείρουμε ένα ρεύμα σε αυτό, τότε ένα ρεύμα θα εμφανιστεί και στο παρακείμενο πηνίο. Η αλληλεπίδραση είναι ακόμη πιο αποτελεσματική όταν ένας αγώγιμος πυρήνας εισάγεται μέσα στις στροφές και των δύο ελίκων.
Νόμος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής
Ο νόμος επαγωγής του Faraday για ένα κλειστό κύκλωμα εκφράζεται με τον τύπο: ε=-dΦ / dt.
Εδώ ε είναι η ηλεκτροκινητική δύναμη που προκαλεί τα ηλεκτρόνια να κινούνται στον αγωγό (συντομογραφία EMF), Φ είναι το μέγεθος της μαγνητικής ροής που διέρχεται αυτήν τη στιγμή από μια δεδομένη περιοχή και t είναι ο χρόνος.
Αυτός ο τύπος είναι διαφορικός. Αυτό σημαίνει ότι το EMF θα πρέπει να υπολογίζεται για όλες τις μικρές χρονικές περιόδους χρησιμοποιώντας μικρά κομμάτια επιφάνειας. ΑΛΛΑγια να ληφθεί η συνολική ηλεκτροκινητική δύναμη, το αποτέλεσμα πρέπει να αθροιστεί.
Το μείον στον τύπο οφείλεται στον κανόνα του Lenz. Διαβάζει: Το επαγωγικό emf κατευθύνεται έτσι ώστε το ενεργοποιημένο ρεύμα να εμποδίζει την αλλαγή στην κατεύθυνση ροής.
Είναι πολύ εύκολο να εξηγήσουμε αυτόν τον κανόνα με ένα παράδειγμα: όταν το ρεύμα στο πρώτο πηνίο αυξάνεται, το ρεύμα στο δεύτερο θα αυξηθεί επίσης. όταν το ρεύμα στο πρώτο πηνίο μειωθεί, το επαγόμενο θα εξασθενήσει επίσης.
Εφαρμογή του νόμου του Faraday
Η σύγχρονη ζωή είναι αδιανόητη χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα. Στο The Day the Earth Stood Still, ο χαρακτήρας του Κιάνου Ριβς αλλάζει την πορεία της ανθρώπινης ιστορίας κλείνοντας τις γεννήτριες. Δεν θα μιλήσουμε τώρα για τους μηχανισμούς αυτού του περιστατικού. Η μυθοπλασία δίνει ελευθερία στη φαντασία, αλλά δεν περιγράφει τις δυνατότητες. Αλλά οι συνέπειες ενός τέτοιου φαινομένου θα ήταν πραγματικά παγκόσμιες: από την καταστροφή των αστικών υποδομών μέχρι τον λιμό. Οι άνθρωποι θα έπρεπε στην πραγματικότητα να ξαναχτίσουν τον πολιτισμό τους για να προσαρμοστούν σε μια ύπαρξη χωρίς ηλεκτρισμό.
Πολλοί συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας εκμεταλλεύονται την πλοκή μιας παγκόσμιας καταστροφής. Εκτός από τη διακοπή ρεύματος, οι λόγοι για μια τόσο μεγάλη αλλαγή είναι:
- ξένη εισβολή;
- λάθος βακτηριολογικό πείραμα;
- τυχαία ανακάλυψη ενός φυσικού νόμου που αλλάζει τη δομή της ύλης (για παράδειγμα, πάγος-9);
- πυρηνικός πόλεμος ή καταστροφή;
- ένα εξελικτικό άλμα ανθρώπων (η νέα ανθρωπότητα απλά δεν χρειάζεται τεχνολογία).
Η αναζήτηση για πηγές ενέργειας είναιξεχωριστή περιοχή ανθρώπινης δραστηριότητας. Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν την ενέργεια των ορυκτών πόρων, του νερού, του ανέμου, των κυμάτων, της θερμότητας των υπόγειων ιαματικών νερών και του ατόμου για να πάρουν ηλεκτρική ενέργεια. Όλοι οι σταθμοί λειτουργούν χάρη στην αρχή, την ύπαρξη της οποίας απέδειξε ο Faraday στα πειράματά του. Επιπλέον, το σχέδιο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας δεν είναι πολύ διαφορετικό από το πείραμά του: μια συγκεκριμένη δύναμη περιστρέφει έναν τεράστιο μαγνήτη (ρότορα) και αυτός, με τη σειρά του, διεγείρει ρεύμα στα πηνία.
Φυσικά, οι άνθρωποι βρήκαν ένα εξαιρετικό υλικό για πυρήνες, έμαθαν πώς να φτιάχνουν τεράστια καρούλια, να απομονώνουν πολύ καλύτερα τα στρώματα περιέλιξης το ένα από το άλλο. Αλλά γενικά, ο σύγχρονος πολιτισμός βασίζεται στην εμπειρία που παρήγαγε ο Michael Faraday τον Αύγουστο του 1831.
