Avui revelarem un fenomen de la física com la "llei de la inducció electromagnètica". T'explicarem per què Faraday va fer experiments, donarem una fórmula i explicarem la importància del fenomen per a la vida quotidiana.
Deus antics i física
La gent antiga adorava el desconegut. I ara un home té por de les profunditats del mar i de la distància de l'espai. Però la ciència pot explicar per què. Els submarins capturen la increïble vida dels oceans a una profunditat de més d'un quilòmetre, els telescopis espacials estudien objectes que van existir només uns quants milions d'anys després del Big Bang.
Però aleshores la gent va divinitzar tot allò que els fascinava i molestava:
- alba;
- despertar les plantes a la primavera;
- pluja;
- naixement i mort.
En cada objecte i fenomen hi vivien forces desconegudes que governaven el món. Fins ara, els nens tendeixen a humanitzar mobles i joguines. Deixats sense vigilància pels adults, fantasiegen: una manta s'abraçarà, un tamboret cabrà, la finestra s'obrirà sola.
Potser el primer pas evolutiu de la humanitat va ser la capacitat de mantenir-seel foc. Els antropòlegs suggereixen que els primers focs es van encendre des d'un arbre colpejat per un llamp.
Per tant, l'electricitat ha tingut un paper important en la vida de la humanitat. El primer llamp va donar impuls al desenvolupament de la cultura, la llei bàsica de la inducció electromagnètica va portar la humanitat a l'estat actual.
Del vinagre al reactor nuclear
A la piràmide de Keops es van trobar estranys recipients de ceràmica: el coll està segellat amb cera, un cilindre metàl·lic s'amaga a les profunditats. A l'interior dels murs es van trobar restes de vinagre o vi agre. Els científics han arribat a una conclusió sensacional: aquest artefacte és una bateria, una font d'electricitat.
Però fins al 1600 ningú es va comprometre a estudiar aquest fenomen. Abans de moure electrons, es va explorar la naturalesa de l'electricitat estàtica. Els antics grecs sabien que l'ambre dona descàrregues si es frega contra la pell. El color d'aquesta pedra els va recordar la llum de l'estrella Electra de les Plèiades. I el nom del mineral es va convertir, al seu torn, en la raó per batejar el fenomen físic.
La primera font primitiva de corrent continu es va construir l'any 1800
Per descomptat, tan bon punt va aparèixer un condensador prou potent, els científics van començar a estudiar les propietats del conductor connectat a ell. El 1820, el científic danès Hans Christian Oersted va descobrir que una agulla magnètica es desviava al costat d'un conductor inclòs a la xarxa. Aquest fet va impulsar el descobriment de la llei de la inducció electromagnètica per part de Faraday (la fórmula es donarà a continuació), que va permetre a la humanitat extreureelectricitat a partir d'aigua, vent i combustible nuclear.
Primitiu però modern
Oersted va establir la base física dels experiments de Max Faraday. Si un conductor commutat afecta un imant, també és cert el contrari: un conductor magnetitzat ha d'induir un corrent.
L'estructura de l'experiment que va ajudar a derivar la llei de la inducció electromagnètica (EMF com a concepte que considerarem una mica més endavant) va ser força senzilla. Un cable enrotllat en una molla està connectat a un dispositiu que registra el corrent. El científic va portar un gran imant a les bobines. Mentre l'imant es movia al costat del circuit, el dispositiu va registrar el flux d'electrons.
La tècnica ha millorat des d'aleshores, però el principi bàsic de la creació d'electricitat a les grans estacions segueix sent el mateix: un imant en moviment excita un corrent en un conductor enrotllat per una molla.
Desenvolupament d'idees
La primera experiència va convèncer Faraday que els camps elèctrics i magnètics estan interconnectats. Però calia esbrinar exactament com. També sorgeix un camp magnètic al voltant d'un conductor que porta corrent, o simplement poden influir-se mútuament? Per tant, el científic va anar més enllà. Va enrotllar un cable, hi va portar corrent i va empènyer aquesta bobina a una altra molla. I també va tenir electricitat. Aquesta experiència va demostrar que els electrons en moviment no només creen un camp elèctric sinó també un camp magnètic. Més tard, els científics van descobrir com es troben a l'espai entre si. El camp electromagnètic també és el motiu pel qual n'hi hallum.
Experimentant amb diferents opcions per a la interacció de conductors en viu, Faraday va descobrir que el corrent es transmet millor si la primera i la segona bobines s'enrotllen en un nucli metàl·lic comú. La fórmula que expressa la llei de la inducció electromagnètica es va derivar en aquest dispositiu.
La fórmula i els seus components
Ara que la història de l'estudi de l'electricitat s'ha portat a l'experiment de Faraday, és hora d'escriure la fórmula:
ε=-dΦ / dt.
Desxifrar:
ε és la força electromotriu (EMF per abreviar). Depenent del valor de ε, els electrons es mouen de manera més intensa o més feble en el conductor. La potència de la font afecta l'EMF i la força del camp electromagnètic l'afecta.
Φ és la magnitud del flux magnètic que passa actualment per una àrea determinada. Faraday va enrotllar el cable en una molla, perquè necessitava un espai determinat per on passaria el conductor. Per descomptat, seria possible fer un conductor molt gruixut, però això seria car. El científic va triar la forma del cercle perquè aquesta figura plana té la proporció més gran entre l'àrea i la longitud de la superfície. Aquesta és la forma més eficient energèticament. Per tant, les gotes d'aigua sobre una superfície plana es tornen rodones. A més, una molla amb una secció rodona és molt més fàcil d'aconseguir: només cal enrotllar el cable al voltant d'algun tipus d'objecte rodó.
t és el temps que va trigar el flux a passar pel bucle.
El prefix d a la fórmula de la llei de la inducció electromagnètica significa que el valor és diferencial. és a dirs'ha de diferenciar un petit flux magnètic en intervals de temps reduïts per tal d'obtenir el resultat final. Aquesta acció matemàtica requereix certa preparació de la gent. Per entendre millor la fórmula, recomanem al lector que recordi la diferenciació i la integració.
Conseqüències de la llei
Immediatament després del descobriment de Faraday, els físics van començar a investigar el fenomen de la inducció electromagnètica. La llei de Lenz, per exemple, va ser derivada experimentalment per un científic rus. Va ser aquesta regla la que va afegir un menys a la fórmula final.
Sembla així: la direcció del corrent d'inducció no és casual; el flux d'electrons en el segon bobinat, per dir-ho, tendeix a reduir l'efecte del corrent en el primer bobinatge. És a dir, l'aparició de la inducció electromagnètica és en realitat la resistència de la segona molla a la interferència en la "vida personal".
La regla de Lenz té una altra conseqüència.
- si el corrent de la primera bobina augmenta, llavors el corrent de la segona molla també tendirà a augmentar;
- si el corrent del bobinatge inductor cau, el corrent del segon bobinatge també disminuirà.
Segons aquesta regla, un conductor en el qual es produeix un corrent induït tendeix a compensar l'efecte d'un flux magnètic canviant.
Gra i ruc
Utilitzar els mecanismes més senzills per al seu propi benefici, la gent fa molt de temps que s'està esforçant. Triturar la farina és un treball dur. Algunes tribus molen gra a mà: poseu blat sobre una pedra, cobreix amb una altra pedra plana i rodona i girapedra de molí. Però si necessiteu moldre farina per a tot un poble, no ho podeu fer només amb el treball muscular. Al principi, la gent va endevinar lligar un animal de tir a la pedra de molí. L'ase va estirar la corda, la pedra va girar. Llavors, probablement, la gent va pensar: “El riu flueix tot el temps, empeny tot tipus de coses riu avall. Per què no l'utilitzem per bé? Així van aparèixer els molins d'aigua.
Roda, aigua, vent
Per descomptat, els primers enginyers que van construir aquestes estructures no sabien res de la força de la gravetat, per la qual l'aigua tendeix a caure sempre, ni tampoc de la força de fricció o tensió superficial. Però van veure: si poseu una roda amb fulles sobre un diàmetre en un rierol o un riu, no només girarà, sinó que també podrà fer un treball útil.
Però fins i tot aquest mecanisme era limitat: no a tot arreu hi ha aigua corrent amb prou força de corrent. Així que la gent va seguir endavant. Van construir molins que funcionaven pel vent.
Carbó, fuel, gasolina
Quan els científics van comprendre el principi d'excitació de l'electricitat, es va plantejar una tasca tècnica: obtenir-la a escala industrial. En aquella època (mitjans del segle XIX) el món estava en una febre de màquines. Van intentar confiar tota la feina difícil a la parella en expansió.
Però aleshores només els combustibles fòssils, el carbó i el fuel, podien escalfar grans volums d'aigua. Per tant, aquelles regions del món que eren riques en carbonis antics van atreure immediatament l'atenció d'inversors i treballadors. I la redistribució de les persones va provocar la revolució industrial.
Holanda iTexas
No obstant això, aquest estat de coses va tenir un efecte negatiu sobre el medi ambient. I els científics van pensar: com obtenir energia sense destruir la natura? Rescat vell ben oblidat. El molí utilitzava el parell per fer treballs mecànics en brut. Les turbines de les centrals hidroelèctriques giren imants.
Actualment, l'electricitat més neta prové de l'energia eòlica. Els enginyers que van construir els primers generadors a Texas van aprofitar l'experiència dels molins de vent a Holanda.
