Бүгін біз физиканың «электромагниттік индукция заңы» сияқты құбылысын ашамыз. Фарадей неліктен эксперименттер жүргізгенін айтып, формуласын келтіріп, құбылыстың күнделікті өмір үшін маңыздылығын түсіндіреміз.
Ежелгі құдайлар және физика
Ежелгі адамдар белгісізге табынған. Ал енді адам теңіздің тереңдігінен, ғарыштың қашықтығынан қорқады. Бірақ мұның себебін ғылым түсіндіре алады. Сүңгуір қайықтар бір шақырымнан астам тереңдікте мұхиттардың керемет өмірін түсіреді, ғарыштық телескоптар үлкен жарылыстан бірнеше миллион жыл өткен соң ғана болған нысандарды зерттейді.
Бірақ кейін адамдар өздерін қызықтыратын және алаңдататын барлық нәрсені құдайға айналдырды:
- күннің шығуы;
- көктемде өсімдіктерді ояту;
- жаңбыр;
- туу және өлім.
Әр зат пен құбылыста әлемді билеген белгісіз күштер өмір сүрді. Осы уақытқа дейін балалар жиһаз бен ойыншықтарды ізгілендіруге бейім. Ересектердің қарауынсыз қалған олар қиялдайды: көрпе құшақтайды, орындық сыйды, терезе өздігінен ашылады.
Адамзаттың алғашқы эволюциялық қадамы - өмір сүру қабілетін сақтай білуі болуы мүмкін.от. Антропологтар алғашқы өрттер найзағай соққан ағаштан тұтанған деп болжайды.
Осылайша, электр энергиясы адамзат өмірінде орасан зор рөл атқарды. Алғашқы найзағай мәдениеттің дамуына серпін берді, электромагниттік индукцияның негізгі заңы адамзатты қазіргі күйге жеткізді.
Сірке суынан ядролық реакторға
Хеопс пирамидасынан біртүрлі керамикалық ыдыстар табылды: мойын балауызбен жабылған, тереңдікте металл цилиндр жасырылған. Қабырғалардың ішкі жағынан сірке суының немесе қышқыл шараптың қалдықтары табылған. Ғалымдар сенсациялық қорытындыға келді: бұл артефакт – батарея, электр энергиясының көзі.
Бірақ 1600 жылға дейін бұл құбылысты зерттеуді ешкім қолға алмаған. Электрондарды қозғалтпас бұрын статикалық электр тогының табиғаты зерттелді. Ежелгі гректер кәріптастың жүнге үйкеле отырып, бөлінетінін білген. Бұл тастың түсі оларға Плеиададағы Электра жұлдызының жарығын еске түсірді. Ал минералдың атауы, өз кезегінде, физикалық құбылысты шоқындыруға себеп болды.
Алғашқы қарапайым тұрақты ток көзі 1800 жылы жасалған
Әрине, жеткілікті қуатты конденсатор пайда болғаннан кейін ғалымдар оған қосылған өткізгіштің қасиеттерін зерттей бастады. 1820 жылы дат ғалымы Ганс Кристиан Эрстед магниттік ине желіге енгізілген өткізгіштің жанында ауытқығанын анықтады. Бұл факт Фарадейдің электромагниттік индукция заңын ашуға серпін берді (формула төменде келтіріледі), ол адамзатқа шығаруға мүмкіндік берді.судан, желден және ядролық отыннан алынатын электр энергиясы.
Примитивті, бірақ заманауи
Макс Фарадей тәжірибелерінің физикалық негізін Эрстед салған. Егер ауыспалы өткізгіш магнитке әсер етсе, онда керісінше де дұрыс: магниттелген өткізгіш ток индукциялауы керек.
Электромагниттік индукция заңын шығаруға көмектескен тәжірибенің құрылымы (ЭҚК тұжырымдамасы ретінде біз сәл кейінірек қарастырамыз) өте қарапайым болды. Серіппеге оралған сым токты тіркейтін құрылғыға қосылған. Ғалым катушкаларға үлкен магнит әкелді. Магнит контурдың жанында қозғалған кезде құрылғы электрондар ағынын тіркеді.
Одан бері техника жетілдірілді, бірақ үлкен станцияларда электр энергиясын жасаудың негізгі принципі бұрынғысынша өзгеріссіз: қозғалатын магнит серіппемен оралған өткізгіштегі токты қоздырады.
Идея әзірлеу
Бірінші тәжірибе Фарадейді электр және магнит өрістерінің өзара байланысты екеніне сендірді. Бірақ дәл қалай анықтау керек болды. Тогы бар өткізгіштің айналасында да магнит өрісі пайда бола ма, әлде олар бір-біріне әсер ете алады ма? Сондықтан ғалым әрі қарай жүрді. Ол бір сымды орап, оған ток әкелді және бұл орамды басқа серіппеге итеріп жіберді. Сондай-ақ ол электр қуатын алды. Бұл тәжірибе қозғалатын электрондардың тек электрлік емес, магнит өрісін де жасайтынын дәлелдеді. Кейінірек ғалымдар олардың бір-біріне қатысты ғарышта қалай орналасқанын анықтады. Электромагниттік өрістің болуы да себепжарық.
Ток өткізгіштерінің өзара әрекеттесуінің әртүрлі нұсқаларымен тәжірибе жасай отырып, Фарадей ток бірінші және екінші катушкалар бір жалпы металл өзекке оралған жағдайда жақсы берілетінін анықтады. Электромагниттік индукция заңын білдіретін формула осы құрылғыда алынды.
Формула және оның құрамдастары
Енді электр тогын зерттеу тарихы Фарадей тәжірибесіне жеткізілгендіктен, формуланы жазу уақыты келді:
ε=-dΦ / дт.
Дешифр:
ε – электр қозғаушы күш (қысқаша ЭҚК). ε мәніне байланысты электрондар өткізгіште қарқындырақ немесе әлсізірек қозғалады. Көздің қуаты ЭҚК әсер етеді, ал электромагниттік өрістің күші оған әсер етеді.
Φ – қазіргі уақытта берілген аумақ арқылы өтетін магнит ағынының шамасы. Фарадей сымды серіппеге айналдырды, өйткені оған өткізгіш өтетін белгілі бір кеңістік қажет болды. Әрине, өте қалың өткізгіш жасауға болады, бірақ бұл қымбатқа түседі. Ғалым шеңбер пішінін таңдады, себебі бұл жалпақ фигура аудан мен бет ұзындығының ең үлкен қатынасына ие. Бұл энергияны үнемдейтін түрі. Сондықтан жазық беттегі су тамшылары дөңгелек болады. Бұған қоса, дөңгелек қимасы бар серіппе алу әлдеқайда оңай: сымды дөңгелек нысанның айналасына орау керек.
t – ағынның цикл арқылы өту уақыты.
Электромагниттік индукция заңының формуласындағы d префиксі мәннің дифференциалды екенін білдіреді. Яғнисоңғы нәтижеге қол жеткізу үшін шағын магнит ағыны шағын уақыт аралықтарында дифференциациялануы керек. Бұл математикалық әрекет адамдардан біршама дайындықты талап етеді. Формуланы жақсырақ түсіну үшін оқырманды дифференциация мен интеграцияны еске түсіруге шақырамыз.
Заңның салдары
Фарадей ашқаннан кейін-ақ физиктер электромагниттік индукция құбылысын зерттеуге кірісті. Мысалы, Ленц заңын тәжірибе жүзінде ресейлік ғалым шығарған. Дәл осы ереже соңғы формулаға минус қосты.
Ол былай көрінеді: индукциялық токтың бағыты кездейсоқ емес; екінші орамдағы электрондар ағыны бірінші орамдағы токтың әсерін азайтуға бейім. Яғни, электромагниттік индукцияның пайда болуы шын мәнінде екінші серіппенің "жеке өмірге" араласуға қарсылығы болып табылады.
Ленц ережесінің басқа салдары бар.
- егер бірінші катушкадағы ток күшейсе, екінші серіппенің тогы да өсуге бейім болады;
- индукциялық орамдағы ток төмендесе, екінші орамдағы ток та азаяды.
Осы ережеге сәйкес, индукциялық ток пайда болатын өткізгіш шын мәнінде өзгермелі магнит ағынының әсерін өтеуге бейім.
Астық пен есек
Ең қарапайым тетіктерді өз пайдасы үшін пайдаланыңыз, адамдар көптен бері ұмтылады. Ұн тарту – ауыр жұмыс. Кейбір тайпалар астықты қолмен ұнтақтайды: бидайды бір тастың үстіне қойып, екінші жалпақ және дөңгелек таспен жауып, айналдырады.диірмен тасы. Бірақ егер сізге бүкіл ауыл үшін ұн тарту керек болса, оны тек бұлшықет еңбегімен жасай алмайсыз. Алғашында адамдар диірмен тасына тартылған жануарды байлауды болжады. Есек арқан тартты – тас айналды. Сонда, сірә, адамдар: «Өзен үнемі ағып жатыр, әр түрлі заттарды төмен қарай итереді. Неге оны жақсылыққа пайдаланбасқа?» Су диірмендері осылай пайда болды.
Дөңгелек, су, жел
Әрине, бұл құрылыстарды салған алғашқы инженерлер судың үнемі құлауға бейім болатын ауырлық күші туралы, үйкеліс күші немесе беттік керілу туралы ештеңе білмеген. Бірақ олар көрді: егер сіз ағынға немесе өзенге диаметрі бар дөңгелекті қойсаңыз, ол айналып қана қоймайды, сонымен қатар пайдалы жұмысты да орындай алады.
Бірақ бұл механизмнің өзі шектеулі болды: барлық жерде ток күші жеткілікті ағынды су жоқ. Осылайша адамдар қозғалды. Олар желмен жұмыс істейтін диірмендер салды.
Көмір, мазут, бензин
Ғалымдар электр тогын қоздыру принципін түсінген кезде техникалық міндет қойылды: оны өнеркәсіптік масштабта алу. Ол кезде (ХІХ ғасырдың ортасы) әлемде машиналардың қызуы болды. Олар барлық қиын жұмыстарды кеңейтілген жұпқа тапсыруға тырысты.
Бірақ ол кезде тек қазба отындары, көмір мен мазут үлкен көлемдегі суды қыздыра алды. Сондықтан ежелгі көміртегіге бай әлемнің сол аймақтары бірден инвесторлар мен жұмысшылардың назарын аударды. Ал адамдардың қайта бөлінуі өнеркәсіптік революцияға әкелді.
Голландия жәнеТехас
Алайда бұл жағдай қоршаған ортаға жағымсыз әсер етті. Ал ғалымдар ойлады: табиғатты бұзбай энергияны қалай алуға болады? Ұмытылған ескіні құтқарды. Диірмен тікелей өрескел механикалық жұмыстарды орындау үшін айналдыру моментін пайдаланды. Су электр станцияларының турбиналары магниттерді айналдырады.
Қазіргі уақытта ең таза электр қуаты жел энергиясынан алынады. Техастағы алғашқы генераторларды салған инженерлер Голландиядағы жел диірмендерінің тәжірибесіне сүйенді.
