امروز ما چنین پدیده ای از فیزیک را به عنوان "قانون القای الکترومغناطیسی" آشکار خواهیم کرد. ما به شما می گوییم که چرا فارادی آزمایش هایی انجام داد، فرمولی ارائه می دهیم و اهمیت این پدیده را برای زندگی روزمره توضیح می دهیم.
خدایان باستان و فیزیک
مردم باستان ناشناخته را می پرستیدند. و حالا انسان از اعماق دریا و دوری فضا می ترسد. اما علم می تواند دلیل آن را توضیح دهد. زیردریایی‌ها زندگی باورنکردنی اقیانوس‌ها را در عمق بیش از یک کیلومتری به تصویر می‌کشند، تلسکوپ‌های فضایی اجرامی را مطالعه می‌کنند که تنها چند میلیون سال پس از انفجار بزرگ وجود داشته‌اند.
اما بعد مردم هر چیزی را که آنها را مجذوب و آزارشان می کرد خدایی کردند:
- طلوع خورشید؛
- بیداری گیاهان در بهار؛
- باران؛
- تولد و مرگ.
در هر شی و پدیده ای نیروهای ناشناخته ای زندگی می کردند که بر جهان حکومت می کردند. تا به حال، کودکان تمایل به انسانی کردن مبلمان و اسباب بازی ها دارند. بزرگ‌ترها بدون مراقبت رها می‌شوند، خیال‌پردازی می‌کنند: یک پتو در آغوش می‌گیرد، یک چهارپایه جا می‌گیرد، پنجره خودش باز می‌شود.
شاید اولین قدم تکاملی بشر توانایی حفظآتش. مردم شناسان پیشنهاد می کنند که اولین آتش ها از درختی روشن می شد که توسط رعد و برق برخورد کرده بود.
بنابراین، برق نقش بزرگی در زندگی بشر داشته است. اولین رعد و برق به توسعه فرهنگ انگیزه داد، قانون اساسی القای الکترومغناطیسی بشریت را به وضعیت فعلی رساند.
از سرکه تا راکتور هسته ای
ظروف سرامیکی عجیبی در هرم خئوپس پیدا شد: گردن با موم مهر و موم شده است، یک استوانه فلزی در اعماق پنهان است. در داخل دیوارها بقایای سرکه یا شراب ترش یافت شد. دانشمندان به یک نتیجه شگفت‌انگیز رسیده‌اند: این مصنوع یک باتری، منبع برق است.
اما تا سال 1600 هیچ کس به مطالعه این پدیده پرداخت. قبل از حرکت الکترون ها، ماهیت الکتریسیته ساکن مورد بررسی قرار گرفت. یونانیان باستان می دانستند که کهربا اگر به خز مالیده شود ترشحات ایجاد می کند. رنگ این سنگ آنها را به یاد نور ستاره الکترا از Pleiades می انداخت. و نام ماده معدنی به نوبه خود دلیل نامگذاری پدیده فیزیکی شد.
اولین منبع DC بدوی در سال 1800 ساخته شد
البته، به محض اینکه یک خازن به اندازه کافی قدرتمند ظاهر شد، دانشمندان شروع به مطالعه خواص هادی متصل به آن کردند. در سال 1820، دانشمند دانمارکی هانس کریستین اورستد کشف کرد که یک سوزن مغناطیسی در کنار هادی موجود در شبکه منحرف شده است. این واقعیت انگیزه ای برای کشف قانون القای الکترومغناطیسی توسط فارادی داد (فرمول زیر آورده خواهد شد) که به بشر اجازه استخراجبرق از آب، باد و سوخت هسته ای.
ابتدایی اما مدرن
اساس فیزیکی آزمایشات ماکس فارادی توسط اورستد گذاشته شد. اگر هادی سوئیچ شده بر آهنربا تأثیر بگذارد، عکس آن نیز صادق است: هادی مغناطیسی باید جریانی را القا کند.
ساختار آزمایشی که به استخراج قانون القای الکترومغناطیسی کمک کرد (EMF به عنوان مفهومی که کمی بعد در نظر خواهیم گرفت) بسیار ساده بود. سیم پیچ شده به فنر به دستگاهی متصل می شود که جریان را ثبت می کند. دانشمند آهنربای بزرگی را به سیم پیچ ها آورد. هنگامی که آهنربا در کنار مدار حرکت می کرد، دستگاه جریان الکترون ها را ثبت کرد.
تکنیک از آن زمان بهبود یافته است، اما اصل اساسی ایجاد الکتریسیته در ایستگاه های بزرگ هنوز یکسان است: یک آهنربای متحرک جریانی را در یک هادی که توسط فنر پیچیده می شود تحریک می کند.
توسعه ایده
اولین تجربه فارادی را متقاعد کرد که میدان های الکتریکی و مغناطیسی به هم مرتبط هستند. اما لازم بود دقیقاً چگونگی آن را پیدا کنیم. آیا میدان مغناطیسی نیز در اطراف یک هادی حامل جریان ایجاد می شود یا اینکه آنها به سادگی می توانند بر یکدیگر تأثیر بگذارند؟ بنابراین، دانشمند فراتر رفت. او یک سیم را پیچید، جریان را به آن وارد کرد و این سیم پیچ را به فنر دیگری فشار داد. و برق هم گرفت. این تجربه ثابت کرد که الکترون های متحرک نه تنها یک میدان الکتریکی بلکه یک میدان مغناطیسی نیز ایجاد می کنند. بعداً دانشمندان متوجه شدند که چگونه آنها در فضا نسبت به یکدیگر قرار دارند. میدان الکترومغناطیسی نیز دلیل وجود آن استنور.
با آزمایش گزینه‌های مختلف برای برهمکنش هادی‌های زنده، فارادی دریافت که اگر سیم‌پیچ اول و دوم روی یک هسته فلزی مشترک پیچیده شوند، جریان بهتر منتقل می‌شود. فرمول بیان کننده قانون القای الکترومغناطیسی در این دستگاه به دست آمد.
فرمول و اجزای آن
اکنون که تاریخچه مطالعه الکتریسیته به آزمایش فارادی آورده شده است، زمان نوشتن فرمول است:
ε=-dΦ / dt.
رمزگشایی:
ε نیروی محرکه الکتریکی (به اختصار EMF) است. بسته به مقدار ε، الکترون ها شدیدتر یا ضعیف تر در هادی حرکت می کنند. قدرت منبع بر EMF تأثیر می گذارد و قدرت میدان الکترومغناطیسی بر آن تأثیر می گذارد.
Φ مقدار شار مغناطیسی است که در حال حاضر از یک ناحیه معین می گذرد. فارادی سیم را به فنر پیچید، زیرا به فضای خاصی نیاز داشت که هادی از آن عبور کند. البته، ساخت یک هادی بسیار ضخیم امکان پذیر است، اما گران است. دانشمند شکل دایره را انتخاب کرد زیرا این شکل مسطح دارای بیشترین نسبت مساحت به طول سطح است. این کارآمدترین شکل انرژی است. بنابراین قطرات آب روی سطح صاف گرد می شوند. علاوه بر این، به دست آوردن فنر با بخش گرد بسیار ساده تر است: فقط باید سیم را به دور نوعی جسم گرد بپیچید.
t زمانی است که جریان از حلقه عبور کرده است.
پیشوند d در فرمول قانون القای الکترومغناطیسی به معنای دیفرانسیل بودن مقدار است. یعنییک شار مغناطیسی کوچک باید در فواصل زمانی کوچک متمایز شود تا نتیجه نهایی به دست آید. این عمل ریاضی مستلزم آمادگی افراد است. برای درک بهتر فرمول، ما قویاً خواننده را تشویق می‌کنیم که تمایز و ادغام را به خاطر بیاورد.
پیامدهای قانون
بلافاصله پس از کشف فارادی، فیزیکدانان شروع به بررسی پدیده القای الکترومغناطیسی کردند. به عنوان مثال، قانون لنز توسط یک دانشمند روسی به صورت تجربی استخراج شد. این قانون بود که یک منهای به فرمول نهایی اضافه کرد.
او به این شکل به نظر می رسد: جهت جریان القایی تصادفی نیست. جریان الکترون ها در سیم پیچ دوم، همانطور که بود، تمایل دارد اثر جریان در سیم پیچ اول را کاهش دهد. یعنی وقوع القای الکترومغناطیسی در واقع مقاومت فنر دوم در برابر تداخل در "زندگی شخصی" است.
قانون لنز پیامد دیگری دارد.
- اگر جریان در سیم پیچ اول افزایش یابد، جریان فنر دوم نیز تمایل به افزایش خواهد داشت؛
- اگر جریان در سیم پیچ القایی کاهش یابد، جریان در سیم پیچ دوم نیز کاهش می یابد.
طبق این قانون، هادی که در آن جریان القایی رخ می دهد، در واقع تمایل به جبران اثر تغییر شار مغناطیسی دارد.
غلات و الاغ
از ساده ترین مکانیسم ها به نفع خود استفاده کنید، مردم برای مدت طولانی تلاش کرده اند. آسیاب کردن آرد کار سختی است. برخی از قبایل غلات را با دست آسیاب می کنند: گندم را روی یک سنگ می گذارند و با سنگ صاف و گرد دیگری می پوشانند و می چرخانند.سنگ آسیاب اما اگر نیاز به آسیاب کردن آرد برای کل دهکده دارید، نمی توانید این کار را تنها با کار عضلانی انجام دهید. در ابتدا، مردم حدس زدند که حیوانی را به سنگ آسیاب ببندند. الاغ طناب را کشید - سنگ چرخید. سپس، احتمالاً، مردم فکر کردند: رودخانه همیشه جریان دارد، همه چیز را به پایین دست هل می دهد. چرا از آن به خوبی استفاده نمی کنیم؟» آسیاب های آبی اینگونه ظاهر شدند.
چرخ، آب، باد
البته اولین مهندسانی که این سازه ها را ساختند نه در مورد نیروی گرانش که به دلیل آن آب همیشه تمایل به سقوط دارد و نه در مورد نیروی اصطکاک یا کشش سطحی چیزی نمی دانستند. اما آنها دیدند: اگر یک چرخ با تیغه ها را روی قطر یک نهر یا رودخانه قرار دهید، نه تنها می چرخد، بلکه می تواند کار مفیدی نیز انجام دهد.
اما حتی این مکانیسم محدود بود: همه جا آب جاری با قدرت جریان کافی وجود ندارد. بنابراین مردم حرکت کردند. آنها آسیاب هایی ساختند که انرژی آنها از باد تامین می شد.
زغال سنگ، نفت کوره، بنزین
وقتی دانشمندان اصل برانگیختگی الکتریسیته را فهمیدند، یک وظیفه فنی تعیین شد: به دست آوردن آن در مقیاس صنعتی. در آن زمان (اواسط قرن نوزدهم) جهان در تب ماشین ها بود. آنها سعی کردند تمام کارهای دشوار را به جفت در حال گسترش بسپارند.
اما در آن زمان فقط سوخت های فسیلی، زغال سنگ و نفت کوره، قادر به گرم کردن حجم زیادی از آب بودند. بنابراین، مناطقی از جهان که سرشار از کربن های باستانی بودند، بلافاصله توجه سرمایه گذاران و کارگران را به خود جلب کردند. و توزیع مجدد مردم به انقلاب صنعتی منجر شد.
هلند وتگزاس
اما این وضعیت تأثیر بدی بر محیط زیست داشت. و دانشمندان فکر کردند: چگونه می توان بدون تخریب طبیعت انرژی دریافت کرد؟ نجات یافت قدیمی فراموش شده. آسیاب از گشتاور برای انجام مستقیم کارهای مکانیکی خشن استفاده می کرد. توربین های نیروگاه های برق آبی آهن ربا را می چرخانند.
در حال حاضر، پاک ترین برق از نیروی باد تامین می شود. مهندسانی که اولین ژنراتورها را در تگزاس ساختند از تجربه آسیاب‌های بادی در هلند استفاده کردند.
