Oggi riveleremo un tale fenomeno della fisica come la "legge dell'induzione elettromagnetica". Ti spiegheremo perché Faraday ha condotto esperimenti, daremo una formula e spiegheremo l'importanza del fenomeno per la vita di tutti i giorni.
Antichi dei e fisica
Gli antichi adoravano l'ignoto. E ora un uomo ha paura delle profondità del mare e della distanza dello spazio. Ma la scienza può spiegare perché. I sottomarini catturano l'incredibile vita degli oceani a una profondità di oltre un chilometro, i telescopi spaziali studiano oggetti che esistevano solo pochi milioni di anni dopo il big bang.
Ma poi le persone hanno divinizzato tutto ciò che li affascinava e li disturbava:
- alba;
- piante che risvegliano in primavera;
- pioggia;
- nascita e morte.
In ogni oggetto e fenomeno vivevano forze sconosciute che governavano il mondo. Finora i bambini tendono a umanizzare mobili e giocattoli. Lasciati incustoditi dagli adulti, fantasticano: una coperta si abbraccerà, uno sgabello si adatterà, la finestra si aprirà da sola.
Forse il primo passo evolutivo dell'umanità è stata la capacità di mantenereil fuoco. Gli antropologi suggeriscono che i primi fuochi furono accesi da un albero colpito da un fulmine.
Quindi, l'elettricità ha giocato un ruolo enorme nella vita dell'umanità. Il primo fulmine ha dato impulso allo sviluppo della cultura, la legge fondamentale dell'induzione elettromagnetica ha portato l'umanità allo stato attuale.
Dall'aceto al reattore nucleare
Strani vasi di ceramica sono stati trovati nella piramide di Cheope: il collo è sigillato con cera, un cilindro di metallo è nascosto nelle profondità. Resti di aceto o vino acido sono stati trovati all'interno delle pareti. Gli scienziati sono giunti a una conclusione sensazionale: questo manufatto è una batteria, una fonte di elettricità.
Ma fino al 1600 nessuno si impegnò a studiare questo fenomeno. Prima di spostare gli elettroni, è stata esplorata la natura dell'elettricità statica. Gli antichi greci sapevano che l'ambra dà scariche se viene strofinata contro la pelliccia. Il colore di questa pietra ricordava loro la luce della stella Elettra delle Pleiadi. E il nome del minerale divenne, a sua volta, il motivo per battezzare il fenomeno fisico.
La prima sorgente DC primitiva fu costruita nel 1800
Ovviamente, non appena è apparso un condensatore sufficientemente potente, gli scienziati hanno iniziato a studiare le proprietà del conduttore ad esso collegato. Nel 1820, lo scienziato danese Hans Christian Oersted scoprì che un ago magnetico deviava vicino a un conduttore incluso nella rete. Questo fatto diede impulso alla scoperta della legge dell'induzione elettromagnetica da parte di Faraday (la formula sarà data di seguito), che permise all'umanità di estrarreelettricità da acqua, vento e combustibile nucleare.
Primitivo ma moderno
La base fisica degli esperimenti di Max Faraday è stata posta da Oersted. Se un conduttore commutato agisce su un magnete, è vero anche il contrario: un conduttore magnetizzato deve indurre una corrente.
La struttura dell'esperimento che ha aiutato a derivare la legge dell'induzione elettromagnetica (EMF come concetto che considereremo un po' più avanti) era abbastanza semplice. Un filo avvolto in una molla è collegato a un dispositivo che registra la corrente. Lo scienziato ha portato un grande magnete alle bobine. Mentre il magnete si muoveva vicino al circuito, il dispositivo ha registrato il flusso di elettroni.
La tecnica è migliorata da allora, ma il principio di base per creare elettricità in grandi stazioni è sempre lo stesso: un magnete in movimento eccita una corrente in un conduttore avvolto da una molla.
Sviluppo di idee
La primissima esperienza ha convinto Faraday che i campi elettrici e magnetici sono interconnessi. Ma era necessario scoprire esattamente come. Un campo magnetico si forma anche attorno a un conduttore percorso da corrente o sono semplicemente in grado di influenzarsi a vicenda? Pertanto, lo scienziato è andato oltre. Avvolse un filo, gli portò corrente e spinse questa bobina in un' altra molla. E ha anche preso l'elettricità. Questa esperienza ha dimostrato che gli elettroni in movimento creano non solo un campo elettrico ma anche magnetico. Successivamente, gli scienziati hanno scoperto come si trovano nello spazio l'uno rispetto all' altro. Il campo elettromagnetico è anche il motivo per cui c'èluce.
Sperimentando diverse opzioni per l'interazione dei conduttori attivi, Faraday ha scoperto che la corrente viene trasmessa meglio se sia la prima che la seconda bobina sono avvolte su un nucleo metallico comune. La formula che esprime la legge dell'induzione elettromagnetica è stata derivata su questo dispositivo.
La formula e le sue componenti
Ora che la storia dello studio dell'elettricità è stata portata all'esperimento di Faraday, è tempo di scrivere la formula:
ε=-dΦ / dt.
Decifra:
ε è la forza elettromotrice (in breve EMF). A seconda del valore di ε, gli elettroni si muovono più intensamente o più deboli nel conduttore. La potenza della sorgente influisce sull'EMF e l'intensità del campo elettromagnetico lo influenza.
Φ è la grandezza del flusso magnetico che sta attualmente passando attraverso una data area. Faraday avvolse il filo in una molla, perché aveva bisogno di un certo spazio attraverso il quale passasse il conduttore. Certo, sarebbe possibile realizzare un conduttore molto spesso, ma sarebbe costoso. Lo scienziato ha scelto la forma del cerchio perché questa figura piatta ha il rapporto più grande tra area e lunghezza della superficie. Questa è la forma più efficiente dal punto di vista energetico. Pertanto, le goccioline d'acqua su una superficie piana diventano rotonde. Inoltre, una molla a sezione tonda è molto più facile da ottenere: basta avvolgere il filo attorno a una specie di oggetto tondo.
t è il tempo impiegato dal flusso per attraversare il ciclo.
Il prefisso d nella formula della legge di induzione elettromagnetica significa che il valore è differenziale. Cioèun piccolo flusso magnetico deve essere differenziato in piccoli intervalli di tempo per ottenere il risultato finale. Questa azione matematica richiede una certa preparazione da parte delle persone. Per comprendere meglio la formula, incoraggiamo vivamente il lettore a ricordare la differenziazione e l'integrazione.
Conseguenze della legge
Subito dopo la scoperta di Faraday, i fisici iniziarono a studiare il fenomeno dell'induzione elettromagnetica. La legge di Lenz, ad esempio, è stata derivata sperimentalmente da uno scienziato russo. È stata questa regola ad aggiungere un segno negativo alla formula finale.
Sembra così: la direzione della corrente di induzione non è casuale; il flusso di elettroni nel secondo avvolgimento tende, per così dire, a ridurre l'effetto della corrente nel primo avvolgimento. Cioè, il verificarsi dell'induzione elettromagnetica è in re altà la resistenza della seconda molla all'interferenza nella "vita personale".
La regola di Lenz ha un' altra conseguenza.
- se la corrente nella prima bobina aumenterà, anche la corrente della seconda molla tenderà ad aumentare;
- se la corrente nell'avvolgimento di induzione diminuisce, diminuirà anche la corrente nel secondo avvolgimento.
Secondo questa regola, un conduttore in cui si verifica una corrente indotta tende effettivamente a compensare l'effetto di un flusso magnetico variabile.
Grano e asino
Usa i meccanismi più semplici a proprio vantaggio, le persone si stanno impegnando da molto tempo. Macinare la farina è un lavoro duro. Alcune tribù macinano il grano a mano: metti il grano su una pietra, copri con un' altra pietra piatta e rotonda e fai rotearemacina. Ma se hai bisogno di macinare la farina per un intero villaggio, allora non puoi farlo solo con il lavoro muscolare. All'inizio, la gente pensava di legare un animale da tiro alla macina. L'asino tirò la corda - la pietra ruotò. Poi, probabilmente, la gente ha pensato: “Il fiume scorre sempre, spinge a valle ogni genere di cose. Perché non lo usiamo per sempre? Ecco come sono apparsi i mulini ad acqua.
Ruota, acqua, vento
Certo, i primi ingegneri che hanno costruito queste strutture non sapevano nulla della forza di gravità, per cui l'acqua tende sempre a cadere, né della forza di attrito o della tensione superficiale. Ma hanno visto: se metti una ruota con lame su un diametro in un ruscello o fiume, non solo ruoterà, ma sarà anche in grado di svolgere un lavoro utile.
Ma anche questo meccanismo era limitato: non dappertutto c'è acqua corrente con sufficiente forza di corrente. Quindi la gente è andata avanti. Hanno costruito mulini alimentati dal vento.
Carbone, olio combustibile, benzina
Quando gli scienziati hanno compreso il principio di eccitazione dell'elettricità, è stato fissato un compito tecnico: ottenerlo su scala industriale. A quel tempo (metà del diciannovesimo secolo) il mondo era in preda alla febbre delle macchine. Hanno cercato di affidare tutto il difficile lavoro alla coppia in espansione.
Ma allora solo i combustibili fossili, carbone e olio combustibile, sono stati in grado di riscaldare grandi volumi d'acqua. Pertanto, quelle regioni del mondo ricche di carbonio antico hanno immediatamente attirato l'attenzione di investitori e lavoratori. E la ridistribuzione delle persone ha portato alla rivoluzione industriale.
Olanda eTexas
Tuttavia, questo stato di cose ha avuto un effetto negativo sull'ambiente. E gli scienziati hanno pensato: come ottenere energia senza distruggere la natura? Salvato vecchio ben dimenticato. Il mulino utilizzava la coppia per eseguire direttamente lavori meccanici grezzi. Le turbine delle centrali idroelettriche ruotano i magneti.
Attualmente, l'elettricità più pulita proviene dall'energia eolica. Gli ingegneri che hanno costruito i primi generatori in Texas hanno attinto all'esperienza dei mulini a vento in Olanda.
