Zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Odkrycie, doświadczenie, zastosowanie

Dzisiaj porozmawiamy o zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Wyjaśnijmy, dlaczego to zjawisko zostało odkryte i jakie korzyści przyniosło.

Silk

Ludzie zawsze starali się żyć lepiej. Niektórzy mogą sądzić, że jest to powód, by oskarżyć ludzkość o chciwość. Ale często mówimy o zdobyciu podstawowych udogodnień domowych.

W średniowiecznej Europie mogli wytwarzać tkaniny wełniane, bawełniane i lniane. W tym czasie ludzie cierpieli z powodu nadmiaru pcheł i wszy. W tym samym czasie chińska cywilizacja nauczyła się już po mistrzowsku tkać jedwab. Ubranie z niego nie pozwalało krwiopijcom na ludzką skórę. Łapy owadów przesuwały się po gładkiej tkaninie, a wszy spadły. Dlatego Europejczycy chcieli nosić jedwab za wszelką cenę. A kupcy uważali, że to kolejna okazja, by się wzbogacić. Dlatego też został położony Wielki Jedwabny Szlak.

Tylko w ten sposób pożądana tkanina została dostarczona cierpiącej Europie. I tak wiele osób było zaangażowanych w proces, w wyniku którego powstały miasta, imperia argumentowały za prawem do nakładania podatków, a niektóre części drogi nadal są najwygodniejszymi sposobami, aby dostać się we właściwe miejsce.

Kompas i gwiazda

Na drodze karawany z jedwabiem stały góry i pustynie. Zdarzyło się, że charakter obszaru pozostał taki sam przez tygodnie i miesiące. Wydmy stepowe zostały zastąpione przez te same pagórki, jeden po drugim. A ludzie musieli w jakiś sposób nawigować, aby dostarczyć swój cenny ładunek.

Gwiazdy przybyły pierwsza na ratunek. Wiedząc, który dzień był i jakie konstelacje oczekują, doświadczony podróżnik zawsze mógł określić, gdzie jest południe, gdzie był wschód i gdzie się udać. Ale zawsze było za mało ludzi z wystarczającą wiedzą. Tak, a czas po prostu nie wiedział, jak liczyć. Zachód słońca, wschód słońca - to wszystkie punkty orientacyjne. Zamieć lub burza piaskowa, pochmurna pogoda wykluczały nawet możliwość zobaczenia gwiazdy polarnej.

Wtedy ludzie (prawdopodobnie starożytni Chińczycy, ale naukowcy wciąż argumentują na ten temat) zdali sobie sprawę, że jeden minerał jest zawsze w pewien sposób zlokalizowany w stosunku do punktów kardynalnych. Ta właściwość została użyta do utworzenia pierwszego kompasu. Zanim odkrycie zjawiska indukcji elektromagnetycznej było daleko, ale rozpoczęto.

Od kompasu do magnesu

Nazwa "magnes" wraca do toponimu. Prawdopodobnie pierwsze kompasy zostały wykonane z rudy wydobywanej na wzgórzach Magnesia. Obszar ten znajduje się w Azji Mniejszej. A magnesy wyglądały jak czarne kamienie.

Pierwsze kompasy były bardzo prymitywne. Wodę wlewa się do miski lub innego pojemnika, cienki krążek pływającego materiału umieszcza się na wierzchu. A na środku dysku umieszczono namagnesowaną strzałkę. Jej jeden koniec zawsze wskazywał północ, a drugi na południu.

Trudno sobie nawet wyobrazić, że karawana oszczędzała wodę na kompas, a ludzie umierają z pragnienia. Ale nie tracić kierunku i pozwolić ludziom, zwierzętom i towarom dostać się w bezpieczne miejsce było ważniejsze niż kilka oddzielnych żyć.

Kompasy wykonały wiele podróży i spotkały się z różnymi zjawiskami natury. Nic dziwnego, że to zjawisko indukcja elektromagnetyczna Odkryto go w Europie, chociaż rudę magnetyczną pierwotnie wydobywa się w Azji. W tak zawiły sposób pragnienie mieszkańców Europy wygodniejszego snu doprowadziło do najważniejszego odkrycia fizyki.

Magnetyczne czy elektryczne?

Na początku XIX wieku naukowcy zrozumieli, jak się dostać prąd stały Utworzono pierwszą prymitywną baterię. Wystarczyło wprowadzić strumień elektronów przez metalowe przewody. Dzięki pierwszemu źródłu elektryczności dokonano wielu odkryć.

W 1820 roku duński naukowiec Hans Christian Oersted odkrył: igła magnetyczna odchyla się obok przewodnika zawartego w sieci. Biegun dodatni kompasu jest zawsze umiejscowiony w określony sposób względem kierunku prądu. Naukowiec przeprowadził eksperyment we wszystkich możliwych geometriach: przewodnik był powyżej lub poniżej strzałki, znajdował się równolegle lub prostopadle. W rezultacie zawsze było to samo: włączony prąd wprawiał w ruch magnes. Tak więc oczekiwano odkrycia zjawiska indukcji elektromagnetycznej.

Eksperymenty Faradaya

Ale myśl naukowców musi zostać potwierdzona eksperymentem. Natychmiast po doświadczeniach Oersteda, angielski fizyk Michael Faraday zadał sobie pytanie: "Czy pola magnetyczne i elektryczne po prostu wpływają na siebie nawzajem, czy są ściślej powiązane?" Naukowiec najpierw sprawdził założenie, że jeśli pole elektryczne powoduje magnetyczny obiekt do odchylenia, magnes powinien generować prąd.

Schemat doświadczenia jest prosty. Teraz każdy uczeń może to powtórzyć. Cienki metalowy drut zwinięto w kształt sprężyny. Jego końce połączono z urządzeniem rejestrującym prąd. Kiedy magnes poruszał się w pobliżu cewki, strzałka na urządzeniu wskazywała napięcie pola elektrycznego. Tak więc wyprowadzono prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya.

Kontynuacja eksperymentów

Ale to nie wszystko, co zrobił naukowiec. Ponieważ pola magnetyczne i elektryczne są blisko spokrewnione, trzeba było się dowiedzieć, ile.

Aby to zrobić, Faraday doprowadził prąd do jednego uzwojenia i wepchnął go do innego takiego uzwojenia o promieniu większym niż pierwszy. I znowu indukowano elektryczność. W ten sposób naukowiec udowodnił: ruchomy ładunek generuje jednocześnie pola elektryczne i magnetyczne.

Warto podkreślić, że mówimy o ruchu magnesu lub pola magnetycznego wewnątrz zamkniętego obwodu sprężyny. Oznacza to, że przepływ musi się zmieniać cały czas. Jeśli tak się nie stanie, prąd nie zostanie wygenerowany.

Formuła

Prawo Faradaya do indukcji elektromagnetycznej wyraża się wzorem

ε = -dΦ / dt.

Rozszyfrowujemy znaki.

ε oznacza siłę elektromagnetyczną lub siłę elektromotoryczną. Ta ilość jest skalarna (to znaczy nie jest wektorowa) i pokazuje pracę, której wymagają określone siły lub prawa natury, aby utworzyć prąd. Należy zauważyć, że praca musi koniecznie tworzyć nieelektryczne zjawiska.

Φ jest strumień magnetyczny przez zamkniętą pętlę. Ta wartość jest wynikiem dwóch innych: wielkości magnetycznego wektora indukcyjnego B i obszaru zamkniętej pętli. Jeśli pole magnetyczne działa na obwód nie w sposób ściśle prostopadły, wówczas cosinus jest dodawany do produktu kąt między wektorem W normie i na powierzchni.

Dla pełniejszego zrozumienia formuły radzimy przypomnieć różnicę wektora od skalarnego i najprostszej trygonometrii.

Skutki odkrycia

Inni przestrzegali tego prawa. Kolejni naukowcy ustalili zależność natężenia prądu elektrycznego od mocy, rezystancji na materiale przewodnika. Badano nowe właściwości, powstawały niesamowite stopy. W końcu ludzkość odszyfrowała strukturę atomu, przeniknęła do tajemnicy narodzin i śmierci gwiazd, ujawniła genom żywych istot.

A wszystkie te osiągnięcia wymagały ogromnej ilości zasobów, a przede wszystkim energii elektrycznej. Przeprowadzono dowolną produkcję lub duże badania naukowe, w których dostępne były trzy komponenty: wykwalifikowany personel, materiał, z którego można pracować i tanią energię elektryczną.

Było to możliwe tam, gdzie siły natury mogły przekazać rotorowi duży moment obrotowy: rzeki o dużej różnicy wysokości, doliny o silnym wietrze, uskoki z nadmiarem energii geomagnetycznej.

Co ciekawe, nowoczesny sposób uzyskiwania energii elektrycznej nie różni się zasadniczo od eksperymentów Faradaya. Wirnik magnetyczny obraca się bardzo szybko wewnątrz dużej cewki drutu. Pole magnetyczne w uzwojeniu zmienia się cały czas i generowany jest prąd elektryczny.

Oczywiście wybrano najlepszy materiał na magnes i przewodniki, a technologia całego procesu jest zupełnie inna. Ale istotą jest jedno: używana jest zasada otwarta w najprostszym systemie.