امروز در مورد تجربه فارادی، فیزیکدان انگلیسی، و اهمیت القای الکترومغناطیسی در دنیای مدرن صحبت خواهیم کرد.
خورشید، رعد و برق، آتشفشان
مردم باستان غیر قابل درک را می پرستیدند. ما در مورد زمان هایی صحبت می کنیم که پیشرفته ترین اختراع، توانایی ترکیب چوب و سنگ در یک ابزار ساده بود. هیچ توضیحی برای سیر روزانه خورشید، مراحل ماه، آتشفشان ها، وقوع رعد و برق و رعد وجود نداشت.
با رعد و برق، بشر رمانی جداگانه دارد. آتش تاریکی را از بین برد، احساس امنیت داد، اکتشافات الهام بخش بود. و دانشمندان پیشنهاد می کنند که اولین آتش کنترل شده از چوبی که توسط رعد و برق به آتش کشیده شد ایجاد شد.
چکش و آهنربا
کمی بعد، مردم یاد گرفتند که از گرما برای ذوب فلز استفاده کنند. اولین ابزار قوی ظاهر شد که به تسخیر طبیعت اطراف کمک کرد. به طور انحصاری با آزمایش، استادان مختلف احتمالاً با حوادث غیرمعمول و عجیبی برخورد کردند. به عنوان مثال، یک قطعه آهن می تواند به طور ناگهانی در حضور دیگری حرکت کند (مغناطیس). در قرن نوزدهم، این پدیده ها با آزمایش های فارادی توضیح داده شدند (القای الکترومغناطیسی به معنای امروزی دقیقاً در آن زمان پدید آمد).
علم وپادشاهان
جریان الکتریکی برای مدت طولانی شناخته شده است. آنها می دانستند که چگونه آهن را از شیشه با خاصیت رسانایی الکترون ها در زمان میکل آنژ تشخیص دهند. اما تا آغاز قرن نوزدهم این پدیده منحصراً به عنوان یک پدیده خنده دار در نظر گرفته می شد. علاوه بر این، دانشمندان همیشه توسط یک بشردوست ثروتمند - یک کنت، دوک یا پادشاه - حمایت مالی شده اند. و پول سرمایه گذاری شده، همانطور که می دانید، باید نتیجه می داد. بنابراین فیزیکدانان و شیمیدانان باید به گونه ای کار می کردند که قدرت نظامی آن بزرگوار افزایش یابد، سود بیشتری دریافت کند یا از تماشای درخشانی برخوردار شود.
برخی آزمایش ها به نشانه قدرت صاحب پول به مهمانان نشان داده شد. گالیله قمرهای مشتری را که کشف کرد به افتخار حامی خود مدیچی نامگذاری کرد. در مورد برق هم همینطور بود. آزمایشات فارادی القای الکترومغناطیسی را به صورت تجربی تایید کرد. اما قبل از او، مطالعات اورستد وجود داشت.
الکتریکی یا مغناطیسی؟
آهنربا (قسمت اصلی قطب نما) توسط ملوانانی که آمریکا، استرالیا و راه رسیدن به هند را کشف کردند استفاده می شد. برق سرگرم کننده جالبی بود. در سال 1820، دانشمند دانمارکی هانس کریستین اورستد، ارتباط بین خواص مغناطیسی و الکتریکی رساناها را اثبات کرد. آزمایش او پیشرو آزمایش فارادی، پدیده القای الکترومغناطیسی و همه چیزهایی بود که از اکتشافات آن سال ها به وجود آمد.
بنابراین، اورستد یک هادی خطی (سیم ضخیم) گرفت و یک سوزن مغناطیسی زیر آن قرار داد. وقتی دانشمند جریان را شروع کرد، قطب های آهنربا جابه جا شدند: فلش عمود بر هادی ایستاده بود. فیزیکدان آزمایش را بارها تکرار کرد،هندسه آزمایش و جهت جریان در هادی را تغییر داد. نتیجه یکسان بود: محل قطب های سوزن مغناطیسی با توجه به بردار حرکت الکترون ها همیشه یکسان بود. اکنون این تجربه بسیار ساده و قابل درک به نظر می رسد. اما این کشف پیامدهای گسترده ای داشت: ارستد رابطه مستقیم بین میدان های الکتریکی و مغناطیسی را ثابت کرد.
رابطه ملکی
اما اگر جریان الکتریکی بتواند بر آهنربا تأثیر بگذارد، آهنربا می تواند باعث حرکت الکترون ها شود؟ این همان چیزی است که فارادی سعی کرد با آزمایشی که اکنون شرح آن را ارائه خواهیم داد ثابت کند.
دانشمند سیم را به یک مارپیچ (کویل) پیچید، یک دستگاه تشخیص جریان را به آن متصل کرد و یک آهنربا به ساختار آورد. سوزن متر سوسو زد. تجربه موفقیت آمیز بود. در آینده، مایکل فارادی رویکردهای مختلفی را اعمال کرد و متوجه شد: اگر به جای آهنربا یک سیم پیچ را برداریم و جریانی را در آن تحریک کنیم، در سیم پیچ مجاور نیز جریانی ظاهر می شود. هنگامی که یک هسته رسانا در داخل پیچ های هر دو مارپیچ قرار داده شود، این برهمکنش حتی موثرتر است.
قانون القای الکترومغناطیسی
قانون القاء فارادی برای مدار بسته با فرمول بیان می شود: ε=-dΦ / dt.
در اینجا ε نیروی محرکه ای است که باعث می شود الکترون ها در هادی حرکت کنند (به اختصار EMF)، Φ مقدار شار مغناطیسی است که در حال حاضر از یک ناحیه معین می گذرد، و t زمان است.
این فرمول دیفرانسیل است. این بدان معنی است که EMF باید برای تمام دوره های زمانی کوچک با استفاده از قطعات کوچک منطقه محاسبه شود. ولیبرای بدست آوردن کل نیروی الکتروموتور، نتیجه باید جمع شود.
منهای فرمول به دلیل قانون لنز است. این می‌خواند: EMF القایی به گونه‌ای هدایت می‌شود که جریان برق‌دار تغییر جهت جریان را مسدود می‌کند.
توضیح این قانون با یک مثال بسیار آسان است: وقتی جریان در سیم پیچ اول افزایش می یابد، جریان در سیم پیچ دوم نیز افزایش می یابد. هنگامی که جریان در سیم پیچ اول کاهش می یابد، جریان القایی نیز ضعیف می شود.
استفاده از قانون فارادی
زندگی مدرن بدون برق غیرقابل تصور است. در فیلم The Day the Earth Stood Still، شخصیت کیانو ریوز با خاموش کردن ژنراتورها، مسیر تاریخ بشر را تغییر می‌دهد. اکنون در مورد مکانیسم های این حادثه صحبت نمی کنیم. داستان به تخیل آزادی می دهد، اما امکانات را توصیف نمی کند. اما پیامدهای چنین پدیده ای واقعاً جهانی خواهد بود: از تخریب زیرساخت های شهری تا قحطی. انسان ها در واقع باید تمدن خود را بازسازی کنند تا با وجودی بدون برق سازگار شوند.
بسیاری از نویسندگان داستان های علمی تخیلی از طرح یک فاجعه جهانی سوء استفاده می کنند. علاوه بر قطع برق، دلایل چنین تغییر عمده ای عبارتند از:
- تهاجم خارجی؛
- آزمایش باکتریولوژیک اشتباه؛
- کشف تصادفی یک قانون فیزیکی که ساختار ماده را تغییر می دهد (مثلاً یخ-9)؛
- جنگ یا فاجعه هسته ای؛
- جهش تکاملی مردم (بشریت جدید به سادگی به فناوری نیاز ندارد).
جستجوی منابع انرژی استحوزه جداگانه فعالیت انسانی مردم از انرژی منابع فسیلی، آب، باد، امواج، گرمای آب‌های حرارتی زیرزمینی و اتم برای دریافت برق استفاده می‌کنند. همه ایستگاه ها به لطف اصلی کار می کنند که وجود آن توسط فارادی در آزمایشات خود ثابت شد. علاوه بر این، طرح تولید الکتریسیته با آزمایش او تفاوت چندانی ندارد: یک نیروی معین یک آهنربای بزرگ (روتور) را می چرخاند و به نوبه خود، جریان را در سیم پیچ ها تحریک می کند.
البته، مردم یک ماده عالی برای هسته‌ها پیدا کردند، یاد گرفتند که چگونه قرقره‌های بزرگ بسازند، لایه‌های پیچ در پیچ را خیلی بهتر از یکدیگر جدا کنند. اما به طور کلی، تمدن مدرن مبتنی بر تجربه ای است که مایکل فارادی در اوت 1831 تولید کرد.
