היום נחשוף תופעה כזו בפיזיקה כמו "חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית". נספר לכם מדוע פאראדיי ביצע ניסויים, ניתן נוסחה ונסביר את חשיבות התופעה לחיי היומיום.
אלים עתיקים ופיזיקה
אנשים עתיקים סגדו לבלתי נודע. ועכשיו אדם מפחד ממעמקי הים וממרחק החלל. אבל המדע יכול להסביר מדוע. צוללות לוכדות את החיים המדהימים של האוקיינוסים בעומק של יותר מקילומטר, טלסקופי חלל חוקרים עצמים שהיו קיימים רק כמה מיליוני שנים לאחר המפץ הגדול.
אבל אז אנשים התעללו כל מה שקסם והפריע להם:
- sunrise;
- צמחים מתעוררים באביב;
- rain;
- לידה ומוות.
בכל חפץ ותופעה חיו כוחות לא ידועים ששלטו בעולם. עד עכשיו, ילדים נוטים להאניש רהיטים וצעצועים. כשהם מבוגרים ללא השגחה, הם מפנטזים: שמיכה תחבק, שרפרף יתאים, החלון ייפתח מעצמו.
אולי הצעד האבולוציוני הראשון של האנושות היה היכולת לשמורהאש. אנתרופולוגים מציעים שהשריפות המוקדמות ביותר הודלקו מעץ שנפגע מברק.
לפיכך, לחשמל יש תפקיד עצום בחיי האנושות. הברק הראשון נתן דחיפה להתפתחות התרבות, החוק הבסיסי של אינדוקציה אלקטרומגנטית הביא את האנושות למצב הנוכחי.
מחומץ לכור גרעיני
כלי קרמיקה מוזרים נמצאו בפירמידת צ'אופס: הצוואר אטום בשעווה, גליל מתכת חבוי במעמקים. בחלק הפנימי של הקירות נמצאו שרידי חומץ או יין חמוץ. מדענים הגיעו למסקנה מרעישה: החפץ הזה הוא סוללה, מקור לחשמל.
אבל עד 1600 איש לא התחייב לחקור את התופעה הזו. לפני הזזת אלקטרונים, טבעו של חשמל סטטי נחקר. היוונים הקדמונים ידעו שענבר נותן הפרשות אם משפשפים אותו בפרווה. הצבע של האבן הזו הזכיר להם את האור של הכוכב אלקטרה מהפליאדות. ושמו של המינרל הפך, בתורו, לסיבה להטביל את התופעה הפיזיקלית.
מקור DC הפרימיטיבי הראשון נבנה בשנת 1800
כמובן, ברגע שהופיע קבל חזק מספיק, החלו מדענים לחקור את תכונות המוליך המחובר אליו. בשנת 1820 גילה המדען הדני הנס כריסטיאן אורסטד שמחט מגנטית סטתה ליד מוליך הכלול ברשת. עובדה זו נתנה תנופה לגילוי חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית על ידי פאראדיי (הנוסחה תינתן להלן), שאיפשר לאנושות לחלץחשמל ממים, רוח ודלק גרעיני.
פרימיטיבי אבל מודרני
הבסיס הפיזי של הניסויים של מקס פאראדיי הונח על ידי Oersted. אם מוליך ממוגנט משפיע על מגנט, אז גם ההפך הוא הנכון: מוליך ממוגנט חייב להשרות זרם.
מבנה הניסוי שעזר לגזור את חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית (EMF כמושג שנשקול מעט מאוחר יותר) היה פשוט למדי. חוט הכרוך בקפיץ מחובר למכשיר הרושם את הזרם. המדען הביא מגנט גדול לסלילים. בזמן שהמגנט נע ליד המעגל, המכשיר רשם את זרימת האלקטרונים.
הטכניקה השתפרה מאז, אבל העיקרון הבסיסי של יצירת חשמל בתחנות ענק עדיין זהה: מגנט נע מעורר זרם במוליך שמפותל בקפיץ.
פיתוח רעיון
הניסיון הראשון שכנע את פאראדיי ששדות חשמליים ומגנטיים קשורים זה בזה. אבל היה צורך לברר איך בדיוק. האם נוצר שדה מגנטי גם סביב מוליך נושא זרם, או שהם פשוט מסוגלים להשפיע זה על זה? לכן, המדען הלך רחוק יותר. הוא פצע חוט אחד, הביא אליו זרם ודחף את הסליל הזה לקפיץ אחר. והוא גם קיבל חשמל. ניסיון זה הוכיח כי אלקטרונים נעים יוצרים לא רק שדה חשמלי אלא גם שדה מגנטי. מאוחר יותר, מדענים הבינו כיצד הם ממוקמים בחלל ביחס זה לזה. השדה האלקטרומגנטי הוא גם הסיבה לכך שישאור.
עם ניסוי עם אפשרויות שונות לאינטראקציה של מוליכים חיים, פאראדיי גילה שהזרם מועבר בצורה הטובה ביותר אם הן הסלילים הראשון והן השני מפותלים על ליבת מתכת משותפת אחת. הנוסחה המבטאת את חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית נגזרה על מכשיר זה.
הנוסחה ומרכיביה
עכשיו, כשההיסטוריה של חקר החשמל הובאה לניסוי פאראדיי, הגיע הזמן לכתוב את הנוסחה:
ε=-dΦ / dt.
פענח:
ε הוא הכוח האלקטרו-מוטורי (EMF בקיצור). בהתאם לערך של ε, האלקטרונים נעים בצורה אינטנסיבית יותר או חלשה יותר במוליך. כוחו של המקור משפיע על EMF, וחוזק השדה האלקטרומגנטי משפיע עליו.
Φ הוא גודל השטף המגנטי שעובר כעת באזור נתון. פאראדיי סלסל את החוט לקפיץ, כי הוא היה צריך חלל מסוים שדרכו יעבור המוליך. כמובן, אפשר יהיה ליצור מוליך עבה מאוד, אבל זה יהיה יקר. המדען בחר בצורת העיגול מכיוון שלדמות שטוחה זו יש את היחס הגדול ביותר בין שטח ואורך פני השטח. זוהי הצורה החסכונית ביותר באנרגיה. לכן, טיפות מים על משטח שטוח הופכות לעגולות. בנוסף, קפיץ עם חתך עגול הרבה יותר קל להשיג: אתה רק צריך ללפף את החוט סביב סוג של חפץ עגול.
t הוא הזמן שלקח לזרימה לעבור דרך הלולאה.
תחילית d בנוסחה של חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית פירושה שהערך הוא דיפרנציאלי. כְּלוֹמַריש להבדיל בין שטף מגנטי קטן על פני מרווחי זמן קטנים על מנת לקבל את התוצאה הסופית. פעולה מתמטית זו דורשת הכנה מסוימת מאנשים. כדי להבין טוב יותר את הנוסחה, אנו ממליצים מאוד לקורא להיזכר בבידול ובאינטגרציה.
השלכות החוק
מיד לאחר הגילוי של פאראדיי החלו פיזיקאים לחקור את תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית. חוק לנץ, למשל, נגזר בניסוי על ידי מדען רוסי. הכלל הזה הוא שהוסיף מינוס לנוסחה הסופית.
הוא נראה כך: כיוון זרם האינדוקציה אינו מקרי; זרימת האלקטרונים בפיתול השני, כביכול, נוטה להפחית את השפעת הזרם בפיתול הראשון. כלומר, התרחשות אינדוקציה אלקטרומגנטית היא למעשה ההתנגדות של הקפיץ השני להתערבות ב"חיים האישיים".
לכלל של לנץ יש תוצאה נוספת.
- אם הזרם בסליל הראשון יגדל, אז גם הזרם של הקפיץ השני ישאף לעלות;
- אם הזרם בפיתול המושרה יורד, גם הזרם בפיתול השני יקטן.
לפי כלל זה, מוליך שבו מתרחש זרם מושרה למעשה נוטה לפצות על השפעת השטף המגנטי המשתנה.
תבואה וחמור
השתמשו במנגנונים הפשוטים ביותר לטובתם, אנשים שואפים כבר הרבה זמן. טחינת קמח היא עבודה קשה. יש שבטים שטוחנים תבואה ביד: שמים חיטה על אבן אחת, מכסים באבן שטוחה ועגולה אחרת ומסובבאבן ריחיים. אבל אם אתה צריך לטחון קמח עבור כפר שלם, אז אתה לא יכול לעשות את זה עם עבודת שרירים בלבד. בהתחלה, אנשים ניחשו לקשור חיית טיוטה לאבן הריחיים. החמור משך בחבל - האבן הסתובבה. ואז, כנראה, אנשים חשבו: "הנהר זורם כל הזמן, הוא דוחף כל מיני דברים במורד הזרם. למה שלא נשתמש בזה לתמיד?" כך הופיעו טחנות מים.
גלגל, מים, רוח
כמובן, המהנדסים הראשונים שבנו את המבנים הללו לא ידעו דבר על כוח הכבידה, שבגללו המים נוטים תמיד ליפול, וגם לא על כוח החיכוך או מתח הפנים. אבל הם ראו: אם אתה שם גלגל עם להבים בקוטר בנחל או בנהר, אז הוא לא רק יסתובב, אלא גם יוכל לעשות עבודה מועילה.
אבל אפילו המנגנון הזה היה מוגבל: לא בכל מקום יש מים זורמים עם מספיק כוח זרם. אז אנשים המשיכו הלאה. הם בנו טחנות שהופעלו על ידי הרוח.
פחם, מזוט, בנזין
כאשר מדענים הבינו את העיקרון של עירור חשמל, הוגדרה משימה טכנית: להשיג אותו בקנה מידה תעשייתי. באותה תקופה (אמצע המאה התשע-עשרה) העולם היה בקדחת מכונות. הם ניסו להפקיד את כל העבודה הקשה בידי הזוג המתרחב.
אבל אז רק דלקים מאובנים, פחם ומזוט, הצליחו לחמם כמויות גדולות של מים. לכן, אותם אזורים בעולם שהיו עשירים בפחמנים עתיקים משכו מיד את תשומת הלב של משקיעים ועובדים. והחלוקה מחדש של אנשים הובילה למהפכה התעשייתית.
הולנד וטקסס
עם זאת, למצב עניינים זה הייתה השפעה רעה על הסביבה. ומדענים חשבו: איך להשיג אנרגיה מבלי להרוס את הטבע? ניצל היטב נשכח זקן. הטחנה השתמשה במומנט כדי לבצע עבודה מכנית גסה ישירות. טורבינות של תחנות כוח הידרואלקטריות מסובבות מגנטים.
כיום, החשמל הנקי ביותר מגיע מכוח הרוח. המהנדסים שבנו את הגנרטורים הראשונים בטקסס הסתמכו על הניסיון של טחנות רוח בהולנד.
