היום נדבר על הניסיון של פאראדיי, פיזיקאי אנגלי, ועל החשיבות של אינדוקציה אלקטרומגנטית בעולם המודרני.
שמש, ברק, הר געש
אנשים עתיקים סגדו לבלתי מובן. אנחנו מדברים על הזמנים שבהם ההמצאה המתקדמת ביותר הייתה היכולת לשלב מקל ואבן לכלי פשוט. לא היה הסבר למהלך היומי של השמש, שלבי הירח, הרי געש, התרחשות של ברקים ורעמים.
עם סופות רעמים, לאנושות יש רומן נפרד. האש פיזרה את החושך, נתנה תחושת ביטחון, העניקה השראה לתגליות. ומדענים מציעים שהשריפה המבוקרת הראשונה נוצרה מעץ שהוצת בברק.
האמר ומגנט
קצת מאוחר יותר, אנשים למדו להשתמש בחום כדי להמיס מתכת. הופיעו הכלים החזקים הראשונים שעזרו לכבוש את הטבע שמסביב. תוך כדי ניסוי בלבד, מאסטרים שונים כנראה נתקלו באירועים חריגים ומשונים. לדוגמה, חתיכת ברזל אחת יכולה לזוז פתאום בנוכחות אחרת (מגנטיות). במאה התשע עשרה, התופעות הללו הוסברו על ידי הניסויים של פאראדיי (אינדוקציה אלקטרומגנטית במובן המודרני נוצרה בדיוק אז).
מדע ומלכים
זרם חשמלי ידוע כבר זמן רב. הם ידעו להבדיל בין ברזל לזכוכית לפי תכונת הולכת אלקטרונים בתקופת מיכלאנג'לו. אבל עד תחילת המאה התשע-עשרה נחשבה תופעה זו אך ורק כתופעה מצחיקה. בנוסף, מדענים תמיד קיבלו חסות של נדבן עשיר - רוזן, דוכס או מלך. והכסף שהושקע, כידוע, היה צריך להשתלם. אז פיזיקאים וכימאים היו צריכים לעבוד בצורה כזו שהכוח הצבאי של האציל גדל, הוא קיבל יותר רווח או נהנה ממחזה מבריק.
כמה ניסויים הוצגו לאורחים כאות לכוחו של בעל הכסף. גלילאו קרא לירחי צדק שגילה לכבוד הפטרון שלו, המדיצ'י. כך היה עם החשמל. הניסויים של פאראדיי אישרו אינדוקציה אלקטרומגנטית בניסוי. אבל לפניו, היו לימודיו של אורסטד.
חשמלי או מגנטי?
המגנט (החלק העיקרי של המצפן) שימש את המלחים שגילו את אמריקה, אוסטרליה והדרך להודו. חשמל היה כיף מעניין. בשנת 1820, המדען הדני הנס כריסטיאן אורסטד הוכיח את הקשר בין התכונות המגנטיות והחשמליות של מוליכים. הניסוי שלו היה מבשר הניסוי של פאראדיי, תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית וכל מה שבא בעקבות התגליות של אותן שנים.
אז, אורסטד לקח מוליך ליניארי (חוט עבה) והניח מחט מגנטית מתחתיו. כאשר המדען התחיל את הזרם, הקטבים של המגנט זזו: החץ ניצב בניצב למוליך. הפיזיקאי חזר על הניסוי פעמים רבות,שינה את הגיאומטריה של הניסוי ואת כיוון הזרם במוליך. התוצאה הייתה זהה: מיקום הקטבים של המחט המגנטית היה תמיד זהה ביחס לווקטור התנועה של האלקטרונים. כעת החוויה הזו נראית מאוד פשוטה ומובנת. אבל לגילוי היו השלכות מרחיקות לכת: אורסטד הוכיח את הקשר הישיר בין שדות חשמליים ומגנטיים.
יחסי נכס
אבל אם הזרם החשמלי היה מסוגל להשפיע על המגנט, אז המגנט יכול לגרום לאלקטרונים לנוע? זה מה שפאראדיי ניסה להוכיח בניסוי, שאת תיאורו נביא כעת.
המדען פצע את החוט לספירלה (סליל), חיבר אליו מכשיר לזיהוי זרם והביא מגנט למבנה. מחט המטר ריצדה. החוויה התבררה כמוצלחת. בעתיד, מייקל פאראדיי יישם גישות שונות וגילה: אם במקום מגנט ניקח סליל אחד ונעורר בו זרם, אז יופיע זרם גם בסליל הסמוך. האינטראקציה יעילה אפילו יותר כאשר מוחדרת ליבה מוליכה בתוך הסיבובים של שני הסלילים.
חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית
חוק האינדוקציה של פאראדיי עבור מעגל סגור מבוטא בנוסחה: ε=-dΦ / dt.
כאן ε הוא הכוח האלקטרו-מוטורי שגורם לאלקטרונים לנוע במוליך (בקיצור EMF), Φ הוא גודל השטף המגנטי שעובר כעת באזור נתון, ו-t הוא הזמן.
נוסחה זו היא דיפרנציאלית. משמעות הדבר היא שיש לחשב את ה-EMF עבור כל פרקי הזמן הקטנים באמצעות פיסות שטח קטנות. אבלכדי לקבל את הכוח האלקטרוני הכולל, יש לסכם את התוצאה.
המינוס בנוסחה נובע מהכלל של לנץ. כתוב: EMF האינדוקציה מכוון כך שהזרם המופעל חוסם את השינוי בכיוון הזרימה.
די קל להסביר את הכלל הזה בדוגמה: כשהזרם בסליל הראשון יגדל, גם הזרם בשני יגדל; כאשר הזרם בסליל הראשון יורד, גם הזרם המושרה ייחלש.
יישום חוק פאראדיי
החיים המודרניים בלתי נתפסים ללא חשמל. ב-The Day the Earth Stood Still, דמותו של קיאנו ריבס משנה את מהלך ההיסטוריה האנושית על ידי כיבוי המחוללים. לא נדבר כעת על המנגנונים של האירוע הזה. הסיפורת נותנת דרור לדמיון, אך אינה מתארת את האפשרויות. אבל ההשלכות של תופעה כזו יהיו גלובליות באמת: מהרס של תשתיות עירוניות ועד רעב. בני אדם יצטרכו למעשה לבנות מחדש את הציוויליזציה שלהם כדי להסתגל לקיום ללא חשמל.
מחברי מדע בדיוני רבים מנצלים את העלילה של אסון עולמי. בנוסף להפסקת החשמל, הסיבות לשינוי כה גדול הן:
- פלישה זרה;
- ניסוי בקטריולוגי שגוי;
- גילוי מקרי של חוק פיזיקלי שמשנה את מבנה החומר (לדוגמה, ice-9);
- מלחמה או קטסטרופה גרעינית;
- קפיצה אבולוציונית של אנשים (האנושות החדשה פשוט לא צריכה טכנולוגיה).
חיפוש אחר מקורות אנרגיה הואאזור נפרד של פעילות אנושית. אנשים משתמשים באנרגיה של משאבי מאובנים, מים, רוח, גלים, חום של מים תרמיים תת-קרקעיים והאטום כדי לקבל חשמל. כל התחנות פועלות בזכות העיקרון, שאת קיומו הוכיח פאראדיי בניסויים שלו. יתרה מכך, התוכנית לייצור חשמל אינה שונה מדי מהניסוי שלו: כוח מסוים מסובב מגנט ענק (רוטור), וזה, בתורו, מעורר זרם בסלילים.
כמובן, אנשים מצאו חומר מצוין לליבות, למדו איך לעשות סלילים ענקיים, לבודד שכבות מתפתלות זו מזו הרבה יותר. אבל באופן כללי, הציוויליזציה המודרנית עומדת על הניסיון שהפיק מייקל פאראדיי באוגוסט 1831.
