Бүгін біз ағылшын физигі Фарадейдің тәжірибесі және қазіргі әлемдегі электромагниттік индукцияның маңыздылығы туралы айтатын боламыз.
Күн, найзағай, жанартау
Ежелгі адамдар түсініксізге табынған. Біз ең озық өнертабыс - таяқ пен тасты қарапайым құралға біріктіру мүмкіндігі болған кездер туралы айтып отырмыз. Күннің күнделікті жүруі, Айдың фазалары, жанартаулар, найзағай мен күн күркіреуі туралы ешқандай түсініктеме болмады.
Найзағаймен бірге адамзаттың бөлек романы бар. Өрт қараңғылықты сейілтті, қауіпсіздік сезімін берді, жаңалықтарды шабыттандырды. Ғалымдар бірінші басқарылатын от найзағай тұтанған ағаштан пайда болды деп болжайды.
Балға және магнит
Біраз уақыттан кейін адамдар металды балқыту үшін жылуды пайдалануды үйренді. Айналадағы табиғатты жаулап алуға көмектескен алғашқы күшті құралдар пайда болды. Эксклюзивті эксперимент арқылы әр түрлі шеберлер әдеттен тыс және оғаш оқиғаларға тап болған шығар. Мысалы, темірдің бір бөлігі екіншісінің қатысуымен кенеттен қозғалуы мүмкін (магнетизм). ХІХ ғасырда бұл құбылыстар Фарадей тәжірибелерімен түсіндірілді (қазіргі мағынада электромагниттік индукция дәл сол кезде пайда болды).
Ғылым жәнепатшалар
Электр тогы бұрыннан белгілі. Олар Микеланджело кезінде электрондарды өткізгіштік қасиеті бойынша темірді шыныдан қалай ажыратуға болатынын білген. Бірақ он тоғызыншы ғасырдың басына дейін бұл құбылыс тек күлкілі құбылыс ретінде қарастырылды. Сонымен қатар, ғалымдарға әрқашан ауқатты филантроп – граф, герцог немесе король демеушілік жасаған. Ал салынған ақша, өздеріңіз білетіндей, өтелуі керек еді. Сондықтан физиктер мен химиктер дворянның әскери күші артып, ол көбірек пайда алатын немесе жарқын көріністі тамашалайтындай жұмыс істеуі керек болды.
Қонақтарға ақша иесінің құдіретінің белгісі ретінде кейбір тәжірибелер көрсетілді. Галилео Юпитердің серіктерін өзінің меценаты Медичидің құрметіне атады. Электрмен де солай болды. Фарадей тәжірибелері электромагниттік индукцияны тәжірибе жүзінде растады. Бірақ оның алдында Эрстедтің зерттеулері болды.
Электрлік немесе магниттік пе?
Магнитті (компастың негізгі бөлігі) Американы, Австралияны және Үндістанға баратын жолды ашқан теңізшілер пайдаланған. Электр тоғы қызық болды. 1820 жылы дат ғалымы Ганс Кристиан Эрстед өткізгіштердің магниттік және электрлік қасиеттерінің байланысын дәлелдеді. Оның тәжірибесі Фарадей тәжірибесінің, электромагниттік индукция құбылысының және сол жылдардағы жаңалықтардың барлығының бастаушысы болды.
Сонымен, Эрстед сызықты өткізгішті (қалың сым) алып, оның астына магнитті инені қойды. Ғалым токты бастаған кезде магниттің полюстері ауысты: көрсеткі өткізгішке перпендикуляр тұрды. Физик тәжірибені бірнеше рет қайталады,тәжірибенің геометриясын және өткізгіштегі ток бағытын өзгертті. Нәтиже бірдей болды: магниттік иненің полюстерінің орналасуы электрондардың қозғалыс векторына қатысты әрқашан бірдей болды. Енді бұл тәжірибе өте қарапайым және түсінікті болып көрінеді. Бірақ бұл жаңалықтың үлкен салдары болды: Эрстед электр және магнит өрістері арасындағы тікелей байланысты дәлелдеді.
Меншік қатынасы
Бірақ электр тогы магнитке әсер ете алатын болса, магнит электрондардың қозғалуына себеп болуы мүмкін бе? Мұны Фарадей эксперимент арқылы дәлелдеуге тырысты, оның сипаттамасын енді береміз.
Ғалым сымды спиральға (орамаға) орап, оған ток анықтайтын құрылғыны қосып, құрылымға магнит әкелді. Есептегіштің инесі жыпылықтады. Тәжірибе сәтті болды. Болашақта Майкл Фарадей әртүрлі тәсілдер қолданып, анықтады: егер магниттің орнына біз бір катушка алып, ондағы токты қоздырсақ, онда көршілес катушкада да ток пайда болады. Екі спиральдың бұрылыстарына өткізгіш өзек кіргізілгенде, өзара әрекеттесу тиімдірек болады.
Электромагниттік индукция заңы
Тұйық контур үшін Фарадей индукциясы заңы мына формуламен өрнектеледі: ε=-dΦ / dt.
Мұнда ε – өткізгіште электрондардың қозғалуына әкелетін электр қозғаушы күш (қысқартылған ЭҚК), Φ – қазіргі уақытта берілген аумақ арқылы өтетін магнит ағынының шамасы, t – уақыт.
Бұл формула дифференциал. Бұл ЭҚК ауданның кішкене бөліктерін пайдаланып барлық шағын уақыт кезеңдері үшін есептелуі керек дегенді білдіреді. БІРАҚжалпы электр қозғаушы күшін алу үшін нәтижені жинақтау керек.
Формуладағы минус Ленц ережесіне байланысты. Онда былай деп жазылған: Индукциялық электр энергиясы қуатталған ток ағын бағытының өзгеруін блоктайтындай етіп бағытталған.
Бұл ережені мысалмен түсіндіру өте оңай: бірінші катушкадағы ток күшейсе, екіншісінде де ток күшейеді; бірінші катушкадағы ток азайса, индукцияланғаны да әлсірейді.
Фарадей заңын қолдану
Қазіргі өмірді электр қуатынсыз елестету мүмкін емес. «Жер тоқтаған күн» фильмінде Киану Ривздің кейіпкері генераторларды өшіру арқылы адамзат тарихының бағытын өзгертеді. Бұл оқиғаның тетіктері туралы қазір айтпаймыз. Көркем әдебиет қиялға ерік береді, бірақ мүмкіндіктерді сипаттамайды. Бірақ мұндай құбылыстың салдары шынымен жаһандық болады: қалалық инфрақұрылымның жойылуынан ашаршылыққа дейін. Адамдар электр қуатынсыз өмір сүруге бейімделу үшін өз өркениетін қайта құруы керек еді.
Көптеген фантастика авторлары жаһандық апаттың сюжетін пайдаланады. Электр қуатын өшіруден басқа, мұндай үлкен өзгерістің себептері:
- шетелдік шапқыншылық;
- қате бактериологиялық тәжірибе;
- заттың құрылымын өзгертетін физикалық заңның кездейсоқ ашылуы (мысалы, мұз-9);
- ядролық соғыс немесе апат;
- адамдардың эволюциялық секірісі (жаңа адамзатқа технология қажет емес).
Энергия көздерін іздеуадам қызметінің жеке саласы. Адамдар электр энергиясын алу үшін қазба байлықтардың энергиясын, суды, желді, толқындарды, жер асты термиялық суларының жылуын және атомды пайдаланады. Барлық станциялар Фарадей өз тәжірибелерінде дәлелдеген принциптің арқасында жұмыс істейді. Оның үстіне, электр энергиясын өндіру схемасы оның тәжірибесінен онша ерекшеленбейді: белгілі бір күш үлкен магнитті (роторды) айналдырады және бұл, өз кезегінде, катушкалардағы токты қоздырады.
Әрине, адамдар өзек үшін тамаша материал тапты, үлкен катушкалар жасауды, орама қабаттарды бір-бірінен жақсырақ оқшаулауды үйренді. Бірақ жалпы алғанда, қазіргі заманғы өркениет 1831 жылы тамызда Майкл Фарадей жасаған тәжірибеге негізделген.
