Legea inducției electromagnetice. Regula Lenz și Faraday

Astăzi vom dezvălui un fenomen de fizică ca "legea inducției electromagnetice". Vom spune de ce Faraday a efectuat experimente, a dat o formulă și a explicat importanța fenomenului pentru viața cotidiană.

Vechi zei și fizică

Oamenii vechi s-au închinat necunoscutului. Și acum omul se teme de abisul mării și de distanța cosmosului. Dar știința poate explica de ce. Submarinele elimină viața incredibilă a oceanelor la o adâncime de peste un kilometru, telescoapele de spațiu studiază obiecte care existau la numai câțiva milioane de ani după Big Bang.

Dar, atunci oamenii au înmulțit tot ceea ce le-a fascinat și le-a îngrijorat:

• răsărit de soare;
• trezirea plantelor în primăvară;
• ploaie;
• nașterea și moartea.

În fiecare obiect și fenomen trăiau forțele necunoscute care guverneau lumea. Până acum, copiii tind să umanizeze mobilierul și jucăriile. Rămânând adulți nesupravegheați, ei fantezii: pătură va îmbrățișa, scaunul se va potrivi, fereastra se va deschide.

Poate că primul pas evolutiv al omenirii a fost capacitatea de a menține focul. Antropologii sugerează că cele mai vechi focuri au fost aprinse din copac în care fulgerul a lovit.

Astfel, energia electrică a jucat un rol imens în viața omenirii. Primul fulger a dat un impuls dezvoltării culturii, legea fundamentală a inducției electromagnetice a adus omenirea în starea actuală.

De la oțet la reactorul nuclear

În piramida lui Cheops au fost găsite vase ceramice ciudate: gâtul închis cu ceară, în cilindrii de metal ascuns în adâncime. Au fost găsite rămășițe de oțet sau de vin acru în interiorul zidurilor. Oamenii de știință au ajuns la o concluzie senzațională: acest artefact este o baterie, o sursă de energie electrică.

Dar înainte de 1600, nimeni nu a studiat acest fenomen. Înainte de a muta electronii, natura electricității statice a fost investigată. Faptul că chihlimbarul dă ranguri, dacă este frecat de blană, era cunoscut chiar de vechii greci. Culoarea acestei pietre le amintea de lumina stelei Elektra din Pleiades. Și numele mineralelor a devenit, la rândul lor, o ocazie pentru a boteza un fenomen fizic.

Prima primă sursă DC a fost construită în 1800

Firește, de îndată ce a apărut un condensator suficient de puternic, oamenii de știință au început să studieze proprietățile dirijorului conectat la el. În 1820, omul de știință danez Hans Christian Oersted a descoperit că acul magnetic se abate de lângă dirijorul inclus în plasă. Acest fapt a dat impuls descoperirii legii inducției electromagnetice Faraday (formula va fi dată mai jos), care a permis omenirii să extragă energia electrică din apă, vânt și combustibil nuclear.

Primitiv, dar modern

Baza fizică a experimentelor lui Max Faraday a fost pusă de Oersted. Dacă conductorul inclus influențează magnetul, atunci inversul este de asemenea adevărat: un conductor magnetizat trebuie să declanșeze un curent.

Structura experimentului, care a ajutat la derivarea legii inducției electromagnetice (EMF ca concept pe care îl vom lua în considerare ulterior), a fost foarte simplu. Sârma înfășurată într-un arc a fost conectată la dispozitivul care înregistrează curentul. La bobine, omul de știință a ridicat un magnet mare. În timp ce magnetul se mișca lângă circuit, dispozitivul înregistrează fluxul de electroni.

De atunci, tehnica a fost îmbunătățită, dar principiul de bază al creării de energie electrică la stațiile imense este același: magnetul în mișcare excită curentul într-un conductor cu răsucire în primăvară.

Dezvoltarea ideilor

Prima experiență a convins-o pe Faraday că câmpurile electrice și magnetice sunt interdependente. Dar era necesar să aflăm cum. Există un câmp magnetic în jurul conductorului sau sunt doar capabili să se influențeze reciproc? Deci, savantul a continuat. El a rănit un fir, a adus un curent la el și această bobină a fost împinsă în celălalt primăvară. Și am primit și energie electrică. Acest experiment a demonstrat că electronii în mișcare creează nu numai un câmp electric, ci și un câmp magnetic. Mai târziu, oamenii de știință au aflat cum se află în spațiu unul față de celălalt. Câmpul electromagnetic este, de asemenea, motivul pentru care există lumină.

Experimentarea cu diferite exemple de realizare ale interacțiunii conductoarelor energizate Faraday găsit: curent cel mai bine transmis dacă atât prima cât și a doua bobine de înfășurat pe un metal de bază comun. Formula care exprimă legea inducției electromagnetice a fost derivată tocmai pe acest dispozitiv.

Formula și componentele acesteia

Acum că istoria studiului energiei electrice este adusă la experimentul lui Faraday, este timpul să scriem formula:

epsilon- = -dPhi- / dt.

Noi descifrăm:

epsilon - este o forță electromotive (EMF abreviată). În funcție de dimensiune epsilon-electronii se mișcă într-un conductor mai intens sau mai slab. Emf-ul este influențat de puterea sursei, iar pe ea - de intensitatea câmpului electromagnetic.

Phi este magnitudinea fluxului magnetic care trece la un moment dat printr-o anumită zonă. Faraday plia firul într-un izvor, deoarece avea nevoie de un spațiu prin care să treacă conductorul. Desigur, se poate face un dirijor foarte gros, dar ar fi scump. Omul de știință a ales forma cercului deoarece această figură plană are cel mai mare raport dintre lungimea suprafeței și suprafața. Aceasta este forma cea mai eficientă din punct de vedere energetic. Prin urmare, picăturile de apă pe o suprafață plană devin rotunde. În plus, un arc cu o secțiune transversală circulară este mult mai ușor de obținut: este suficient doar să înfășurați firul pe un obiect rotund.

t este momentul în care fluxul a trecut prin circuit.

Prefixul d din formula legii inducției electromagnetice înseamnă că valoarea este diferită. Adică un mic flux magnetic trebuie diferențiat pe intervale scurte de timp pentru a obține rezultatul final. Această acțiune matematică cere oamenilor un anumit grad de pregătire. Pentru a înțelege mai bine formula, recomandăm cu insistență cititorului să reamintească diferențierea și integrarea.

Consecințele legii

Imediat după descoperirea lui Faraday, fizicienii au început să investigheze fenomenul de inducție electromagnetică. Legea Lenz, de exemplu, a fost derivată experimental de un om de știință rus. Aceasta este regula care a adăugat un minus la formula finală.

Se pare că: direcția curentului de inducție nu este accidentală, fluxul de electroni în a doua înfășurare tinde să reducă efectul curentului în prima înfășurare. Adică, apariția inducției electromagnetice este de fapt rezistența primului primăvară la interferența în "viața personală".

Regula Lenz are o altă consecință.

• dacă curentul din prima bobină crește, atunci curentul celui de-al doilea arc va avea tendința de a crește;
• Dacă curentul din bobina inductivă cade, atunci curentul din a doua se diminuează.

Conform acestei reguli, conductorul, în care este generat curentul indus, tinde efectiv să compenseze acțiunea fluxului magnetic în schimbare.

Cereale și măgari

Oamenii au folosit cele mai simple mecanisme pentru binele lor pentru o lungă perioadă de timp. Șlefuirea făinii este o sarcină dificilă. Unele triburi mănâncă cereale manual: așezați grâu pe o piatră, acoperiți cu o altă piatră plată și rotundă și întoarceți piatra de moară. Dar dacă aveți nevoie să mănânci făină în întregul sat, atunci nu se poate face fără forță musculară. La început, oamenii au ghicit că au legat un animal de piatră de moară. Măgarul tragea la coardă - piatra se învârtea. Apoi, probabil, oamenii s-au gândit: "Râul curge tot timpul, împinge obiectele în aval. De ce nu-l folosim pentru totdeauna? "Așa au apărut morile de apă.

Roată, apă, vânt

Bineînțeles, primii ingineri care au construit aceste structuri nu știau nimic despre forța gravitațională, din cauza căruia apa are mereu tendința de scădere, nici despre forța de frecare sau tensiunea superficială. Dar ei au văzut: dacă puneți o roată cu lame pe diametrul în cursul râului sau a râului, acesta nu numai că se va roti, ci va putea și să facă o muncă utilă.

Dar acest mecanism a fost de asemenea limitat: nu există întotdeauna apă curentă cu o forță suficientă de curgere. Prin urmare, oamenii au continuat. Au construit mori care au lucrat din vânt.

Cărbune, păcură, benzină

Când oamenii de știință au înțeles principiul excitației energiei electrice, a fost stabilită o sarcină tehnică: să o obținem la scară industrială. La acel moment (mijlocul secolului al XIX-lea), lumea a fost zdruncinată de febra mașinilor. Sa încercat toată munca grea pentru a încredința perechea extinsă.

Dar, atunci, puteau doar să încălzească cantități mari de apă cu combustibili fosili - cărbune și păcură. Prin urmare, cei regiuni ale lumii, care erau bogate în carbura vechi, au atras atenția investitorilor și lucrătorilor. Și redistribuirea oamenilor a dus la o revoluție industrială.

Olanda și Texas

Cu toate acestea, această stare de lucruri a avut un efect negativ asupra mediului. Și oamenii de știință au crezut: cum să primești energie fără a distruge natura? A câștigat vechi bine uitat. Moara a utilizat cuplul pentru a efectua lucrări mecanice directe. Turbinele centralelor hidroelectrice rotesc magneți.

În prezent, cea mai curată electricitate este obținută din energia eoliană. Inginerii care au construit primele generatoare Texas s-au bazat pe experiența morilor de vânt din Olanda.