Vandaag zullen we praten over de ervaring van Faraday, een Engelse natuurkundige, en het belang van elektromagnetische inductie in de moderne wereld.
Zon, bliksem, vulkaan
Oude mensen aanbaden het onbegrijpelijke. We hebben het over de tijd dat de meest geavanceerde uitvinding het vermogen was om een stok en een steen te combineren tot een eenvoudig stuk gereedschap. Er was geen verklaring voor het dagelijkse verloop van de zon, de fasen van de maan, vulkanen, het optreden van bliksem en donder.
Met onweer heeft de mensheid een aparte roman. Vuur verdreef de duisternis, gaf een gevoel van veiligheid, inspireerde tot ontdekkingen. En wetenschappers suggereren dat het eerste gecontroleerde vuur is ontstaan uit hout dat door bliksem in brand is gestoken.
Hamer en magneet
Een tijdje later leerden mensen warmte te gebruiken om metaal te smelten. De eerste sterke gereedschappen verschenen die hielpen om de omringende natuur te veroveren. Door uitsluitend te experimenteren, stuitten verschillende meesters waarschijnlijk op ongebruikelijke en vreemde incidenten. Het ene stuk ijzer kan bijvoorbeeld plotseling bewegen in de aanwezigheid van een ander (magnetisme). In de negentiende eeuw werden deze verschijnselen verklaard door de experimenten van Faraday (precies toen elektromagnetische inductie in de moderne zin).
Wetenschap enkoningen
Elektrische stroom is al heel lang bekend. Ze wisten in de tijd van Michelangelo ijzer van glas te onderscheiden door de eigenschap elektronen te geleiden. Maar tot het begin van de negentiende eeuw werd dit fenomeen uitsluitend als een grappig fenomeen beschouwd. Bovendien zijn wetenschappers altijd gesponsord door een rijke filantroop - een graaf, hertog of koning. En het geïnvesteerde geld had, zoals u weet, vruchten moeten afwerpen. Natuur- en scheikundigen moesten dus zo te werk gaan dat de militaire macht van de edelman toenam, hij meer winst kreeg of een schitterend schouwspel genoot.
Sommige experimenten werden aan de gasten getoond als teken van de macht van de eigenaar van het geld. Galileo noemde de manen van Jupiter die hij ontdekte ter ere van zijn beschermheer, de Medici. Zo ging het met elektriciteit. De experimenten van Faraday bevestigden experimenteel elektromagnetische inductie. Maar vóór hem waren er de studies van Oersted.
Elektrisch of magnetisch?
De magneet (het belangrijkste onderdeel van het kompas) werd gebruikt door zeelieden die Amerika, Australië en de weg naar India ontdekten. Elektriciteit was interessant leuk. In 1820 bewees de Deense wetenschapper Hans Christian Oersted het verband tussen de magnetische en elektrische eigenschappen van geleiders. Zijn experiment was de voorloper van het experiment van Faraday, het fenomeen van elektromagnetische inductie en alles wat volgde op de ontdekkingen van die jaren.
Dus, Oersted nam een lineaire geleider (dikke draad) en plaatste er een magnetische naald onder. Toen de wetenschapper de stroom startte, verschoven de polen van de magneet: de pijl stond loodrecht op de geleider. De natuurkundige herhaalde het experiment vele malen,veranderde de geometrie van het experiment en de richting van de stroom in de geleider. Het resultaat was hetzelfde: de locatie van de polen van de magnetische naald was altijd hetzelfde ten opzichte van de bewegingsvector van de elektronen. Nu lijkt deze ervaring heel eenvoudig en begrijpelijk. Maar de ontdekking had verstrekkende gevolgen: Oersted bewees de directe relatie tussen elektrische en magnetische velden.
Eigendomsrelatie
Maar als de elektrische stroom de magneet zou kunnen beïnvloeden, zou de magneet dan de elektronen kunnen laten bewegen? Dit is wat Faraday probeerde te bewijzen met het experiment, waarvan we de beschrijving nu zullen geven.
De wetenschapper wond de draad in een spiraal (spoel), verbond er een stroomdetectieapparaat aan en bracht een magneet naar de structuur. De meternaald flikkerde. De ervaring bleek succesvol. In de toekomst paste Michael Faraday verschillende benaderingen toe en ontdekte: als we in plaats van een magneet één spoel nemen en daarin een stroom opwekken, dan verschijnt er ook een stroom in de aangrenzende spoel. De interactie is nog effectiever wanneer een geleidende kern wordt ingebracht in de windingen van beide helices.
Wet van elektromagnetische inductie
De inductiewet van Faraday voor een gesloten circuit wordt uitgedrukt door de formule: ε=-dΦ / dt.
Hier is ε de elektromotorische kracht die ervoor zorgt dat de elektronen in de geleider bewegen (afgekort als EMF), Φ is de grootte van de magnetische flux die momenteel door een bepaald gebied gaat, en t is de tijd.
Deze formule is differentieel. Dit betekent dat de EMV voor alle korte tijdsperioden moet worden berekend met behulp van kleine stukjes oppervlakte. MAARom de totale elektromotorische kracht te krijgen, moet het resultaat worden opgeteld.
De min in de formule is te wijten aan de regel van Lenz. Er staat: De inductie-emf is zo gericht dat de bekrachtigde stroom de verandering in stroomrichting blokkeert.
Het is vrij eenvoudig om deze regel met een voorbeeld uit te leggen: wanneer de stroom in de eerste spoel toeneemt, zal de stroom in de tweede ook toenemen; wanneer de stroom in de eerste spoel afneemt, zal de geïnduceerde ook verzwakken.
De wet van Faraday toepassen
Het moderne leven is ondenkbaar zonder elektriciteit. In The Day the Earth Stood Still verandert het personage van Keanu Reeves de loop van de menselijke geschiedenis door de generatoren uit te schakelen. We zullen het nu niet hebben over de mechanismen van dit incident. Fictie laat de verbeelding de vrije loop, maar beschrijft niet de mogelijkheden. Maar de gevolgen van een dergelijk fenomeen zouden werkelijk wereldwijd zijn: van de vernietiging van stedelijke infrastructuur tot hongersnood. Mensen zouden eigenlijk hun beschaving moeten herbouwen om zich aan te passen aan een bestaan zonder elektriciteit.
Veel sciencefictionschrijvers maken gebruik van de plot van een wereldwijde catastrofe. Naast de stroomstoring zijn de redenen voor zo'n grote verandering:
- buitenlandse invasie;
- verkeerd bacteriologisch experiment;
- toevallige ontdekking van een natuurkundige wet die de structuur van materie verandert (bijvoorbeeld ijs-9);
- nucleaire oorlog of catastrofe;
- een evolutionaire sprong van mensen (de nieuwe mensheid heeft gewoonweg geen technologie nodig).
Zoeken naar energiebronnen isapart gebied van menselijke activiteit. Mensen gebruiken de energie van fossiele bronnen, water, wind, golven, de hitte van ondergronds thermaal water en het atoom om elektriciteit te krijgen. Alle stations werken dankzij het principe, waarvan het bestaan door Faraday in zijn experimenten werd bewezen. Bovendien verschilt het schema voor het opwekken van elektriciteit niet veel van zijn experiment: een bepaalde kracht laat een enorme magneet (rotor) draaien en die wekt op zijn beurt stroom op in de spoelen.
Natuurlijk vonden mensen een uitstekend materiaal voor kernen, leerden ze enorme spoelen te maken, wikkellagen veel beter van elkaar te isoleren. Maar over het algemeen steunt de moderne beschaving op de ervaring van Michael Faraday in augustus 1831.
