Vandaag zullen we een dergelijk fenomeen van de natuurkunde onthullen als de "wet van elektromagnetische inductie". We zullen je vertellen waarom Faraday experimenten deed, een formule geven en het belang van het fenomeen voor het dagelijks leven uitleggen.
Oude goden en natuurkunde
Oude mensen aanbaden het onbekende. En nu is een man bang voor de diepten van de zee en de afstand van de ruimte. Maar de wetenschap kan verklaren waarom. Onderzeeërs leggen het ongelooflijke leven van de oceanen vast op een diepte van meer dan een kilometer, ruimtetelescopen bestuderen objecten die slechts een paar miljoen jaar na de oerknal bestonden.
Maar toen vergoddelijkten mensen alles wat hen fascineerde en verontrustte:
- zonsopgang;
- planten ontwaken in het voorjaar;
- regen;
- geboorte en dood.
In elk object en fenomeen leefden onbekende krachten die de wereld regeerden. Tot nu toe hebben kinderen de neiging om meubels en speelgoed te vermenselijken. Zonder toezicht achtergelaten door volwassenen, fantaseren ze: een deken zal knuffelen, een krukje past, het raam gaat vanzelf open.
Misschien was de eerste evolutionaire stap van de mensheid het vermogen om te handhavenhet vuur. Antropologen suggereren dat de vroegste branden werden aangestoken door een boom die door de bliksem was getroffen.
Elektriciteit heeft dus een grote rol gespeeld in het leven van de mensheid. De eerste bliksem gaf een impuls aan de ontwikkeling van cultuur, de basiswet van elektromagnetische inductie bracht de mensheid naar de huidige staat.
Van azijn tot kernreactor
Vreemde keramische vaten werden gevonden in de piramide van Cheops: de nek is verzegeld met was, een metalen cilinder is verborgen in de diepte. Aan de binnenkant van de muren werden resten van azijn of zure wijn gevonden. Wetenschappers zijn tot een sensationele conclusie gekomen: dit artefact is een batterij, een bron van elektriciteit.
Maar tot 1600 nam niemand het op zich om dit fenomeen te bestuderen. Voordat elektronen werden verplaatst, werd de aard van statische elektriciteit onderzocht. De oude Grieken wisten dat barnsteen afscheiding geeft als het tegen de vacht wordt gewreven. De kleur van deze steen deed hen denken aan het licht van de ster Electra uit de Pleiaden. En de naam van het mineraal werd op zijn beurt de reden om het fysieke fenomeen te dopen.
De eerste primitieve DC-bron werd gebouwd in 1800
Natuurlijk, zodra een voldoende krachtige condensator verscheen, begonnen wetenschappers de eigenschappen te bestuderen van de geleider die ermee verbonden was. In 1820 ontdekte de Deense wetenschapper Hans Christian Oersted dat een magneetnaald afweek naast een in het netwerk opgenomen geleider. Dit feit gaf een impuls aan de ontdekking van de wet van elektromagnetische inductie door Faraday (de formule zal hieronder worden gegeven), waardoor de mensheidelektriciteit uit water, wind en nucleaire brandstof.
Primitief maar modern
De fysieke basis van de experimenten van Max Faraday werd gelegd door Oersted. Als een geschakelde geleider een magneet beïnvloedt, dan is ook het tegenovergestelde waar: een gemagnetiseerde geleider moet een stroom induceren.
De structuur van het experiment dat hielp bij het afleiden van de wet van elektromagnetische inductie (EMF als een concept dat we wat later zullen bespreken) was vrij eenvoudig. Een draad die in een veer is gewikkeld, is verbonden met een apparaat dat de stroom registreert. De wetenschapper bracht een grote magneet naar de spoelen. Terwijl de magneet naast het circuit bewoog, registreerde het apparaat de stroom van elektronen.
De techniek is sindsdien verbeterd, maar het basisprincipe van het opwekken van elektriciteit op grote stations is nog steeds hetzelfde: een bewegende magneet wekt een stroom op in een geleider die door een veer is gewikkeld.
Ideeontwikkeling
De allereerste ervaring overtuigde Faraday ervan dat elektrische en magnetische velden met elkaar verbonden zijn. Maar het was nodig om uit te zoeken hoe. Ontstaat er ook een magnetisch veld rond een stroomvoerende geleider, of kunnen ze elkaar gewoon beïnvloeden? Daarom ging de wetenschapper verder. Hij wikkelde een draad, bracht er stroom naar toe en duwde deze spoel in een andere veer. En hij kreeg ook stroom. Deze ervaring bewees dat bewegende elektronen niet alleen een elektrisch maar ook een magnetisch veld creëren. Later ontdekten wetenschappers hoe ze zich in de ruimte ten opzichte van elkaar bevinden. Het elektromagnetische veld is ook de reden waarom er islicht.
Door te experimenteren met verschillende opties voor de interactie van stroomvoerende geleiders, ontdekte Faraday dat de stroom het beste wordt overgedragen als zowel de eerste als de tweede spoel op één gemeenschappelijke metalen kern zijn gewikkeld. De formule die de wet van elektromagnetische inductie uitdrukt, is afgeleid van dit apparaat.
De formule en zijn componenten
Nu de geschiedenis van de studie van elektriciteit naar het Faraday-experiment is gebracht, is het tijd om de formule te schrijven:
ε=-dΦ / dt.
Ontcijferen:
ε is de elektromotorische kracht (kortweg EMF). Afhankelijk van de waarde van ε bewegen de elektronen zich intensiever of zwakker in de geleider. De kracht van de bron beïnvloedt de EMF en de sterkte van het elektromagnetische veld beïnvloedt deze.
Φ is de grootte van de magnetische flux die momenteel door een bepaald gebied gaat. Faraday rolde de draad op tot een veer, omdat hij een bepaalde ruimte nodig had waar de geleider doorheen zou gaan. Natuurlijk zou het mogelijk zijn om een zeer dikke geleider te maken, maar dat zou duur zijn. De wetenschapper koos de cirkelvorm omdat deze platte figuur de grootste verhouding van oppervlakte tot oppervlaktelengte heeft. Dit is de meest energiezuinige vorm. Daarom worden waterdruppels op een plat oppervlak rond. Bovendien is een veer met een ronde sectie veel gemakkelijker te verkrijgen: je hoeft alleen maar de draad om een soort rond voorwerp te winden.
t is de tijd die de stroom nodig had om door de lus te gaan.
Het voorvoegsel d in de formule van de wet van elektromagnetische inductie betekent dat de waarde differentieel is. D.w.zeen kleine magnetische flux moet worden gedifferentieerd over kleine tijdsintervallen om het eindresultaat te verkrijgen. Deze wiskundige actie vereist enige voorbereiding van mensen. Om de formule beter te begrijpen, raden we de lezer ten zeerste aan om differentiatie en integratie in herinnering te brengen.
Consequenties van de wet
Onmiddellijk na de ontdekking van Faraday begonnen natuurkundigen het fenomeen van elektromagnetische inductie te onderzoeken. De wet van Lenz is bijvoorbeeld experimenteel afgeleid door een Russische wetenschapper. Het was deze regel die een minpuntje aan de uiteindelijke formule toevoegde.
Hij ziet er zo uit: de richting van de inductiestroom is niet toevallig; de stroom van elektronen in de tweede wikkeling heeft als het ware de neiging om het effect van de stroom in de eerste wikkeling te verminderen. Dat wil zeggen, het optreden van elektromagnetische inductie is eigenlijk de weerstand van de tweede veer tegen interferentie in het "persoonlijke leven".
De regel van Lenz heeft nog een andere consequentie.
- als de stroom in de eerste spoel zal toenemen, dan zal de stroom van de tweede veer ook de neiging hebben om toe te nemen;
- als de stroom in de inducerende wikkeling da alt, zal de stroom in de tweede wikkeling ook afnemen.
Volgens deze regel heeft een geleider waarin een geïnduceerde stroom optreedt de neiging om het effect van een veranderende magnetische flux te compenseren.
Graan en ezel
Gebruik de eenvoudigste mechanismen voor hun eigen voordeel, mensen streven er al heel lang naar. Meel malen is hard werken. Sommige stammen malen het graan met de hand: leg tarwe op één steen, bedek met een andere platte en ronde steen en draaimolensteen. Maar als je meel moet malen voor een heel dorp, dan kun je dat niet alleen doen met spierarbeid. In het begin raadden mensen om een trekdier aan de molensteen te binden. De ezel trok aan het touw - de steen draaide. Toen dachten mensen waarschijnlijk: 'De rivier stroomt de hele tijd, hij duwt allerlei dingen stroomafwaarts. Waarom gebruiken we het niet voorgoed? Zo ontstonden watermolens.
Wiel, water, wind
Natuurlijk wisten de eerste ingenieurs die deze constructies bouwden niets over de zwaartekracht, waardoor water altijd de neiging heeft om te vallen, noch over de wrijvingskracht of oppervlaktespanning. Maar ze zagen: als je een wiel met bladen op een diameter in een beek of rivier zet, dan zal het niet alleen draaien, maar ook nuttig werk kunnen doen.
Maar zelfs dit mechanisme was beperkt: niet overal is stromend water met voldoende stroomsterkte. Dus mensen gingen verder. Ze bouwden molens die door de wind werden aangedreven.
Kolen, stookolie, benzine
Toen wetenschappers het principe van excitatie van elektriciteit begrepen, werd een technische taak gesteld: deze op industriële schaal verkrijgen. In die tijd (midden negentiende eeuw) verkeerde de wereld in een koorts van machines. Ze probeerden al het moeilijke werk aan het groeiende paar toe te vertrouwen.
Maar toen konden alleen fossiele brandstoffen, steenkool en stookolie, grote hoeveelheden water verwarmen. Daarom trokken die regio's van de wereld die rijk waren aan oude koolstoffen onmiddellijk de aandacht van investeerders en arbeiders. En de herverdeling van mensen leidde tot de industriële revolutie.
Holland enTexas
Deze gang van zaken had echter een slecht effect op het milieu. En wetenschappers dachten: hoe krijg je energie zonder de natuur te vernietigen? Gered goed vergeten oud. De molen gebruikte koppel om direct ruw mechanisch werk te doen. Turbines van waterkrachtcentrales draaien magneten.
Momenteel komt de schoonste elektriciteit uit windenergie. De ingenieurs die de eerste generatoren in Texas bouwden, maakten gebruik van de ervaring van windmolens in Nederland.
