Այսօր մենք կբացահայտենք ֆիզիկայի այնպիսի երևույթ, ինչպիսին է «էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի օրենքը»: Մենք ձեզ կասենք, թե ինչու է Ֆարադեյը փորձարկումներ արել, բանաձև կտանք և կբացատրենք ֆենոմենի կարևորությունը առօրյա կյանքում։
Հին աստվածներ և ֆիզիկա
Հին մարդիկ պաշտում էին անհայտը. Իսկ հիմա մարդը վախենում է ծովի խորքից և տարածության հեռավորությունից։ Սակայն գիտությունը կարող է բացատրել, թե ինչու: Սուզանավերը ֆիքսում են օվկիանոսների անհավանական կյանքը ավելի քան մեկ կիլոմետր խորության վրա, տիեզերական աստղադիտակներն ուսումնասիրում են այն օբյեկտները, որոնք գոյություն են ունեցել Մեծ պայթյունից ընդամենը մի քանի միլիոն տարի անց:
Բայց հետո մարդիկ աստվածացնում էին այն ամենը, ինչը նրանց հիացնում և անհանգստացնում էր.
- արևածագ;
- գարնանը բույսերի արթնացում;
- անձրև;
- ծնունդ և մահ.
Յուրաքանչյուր առարկայի և երևույթի մեջ ապրում էին անհայտ ուժեր, որոնք ղեկավարում էին աշխարհը: Մինչ այժմ երեխաները հակված են մարդկայնացնելու կահույքն ու խաղալիքները։ Մեծահասակների հսկողության տակ մնալով՝ նրանք երևակայում են՝ վերմակը կգրկի, աթոռակը կտեղավորվի, պատուհանն ինքն իրեն կբացվի։
Թերևս մարդկության առաջին էվոլյուցիոն քայլը պահպանելու կարողությունն էրկրակ. Մարդաբանները ենթադրում են, որ ամենավաղ կրակները վառվել են կայծակի հարվածած ծառից։
Այսպիսով, էլեկտրաէներգիան հսկայական դեր է խաղացել մարդկության կյանքում: Առաջին կայծակը խթան հաղորդեց մշակույթի զարգացմանը, էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի հիմնական օրենքը մարդկությանը հասցրեց ներկայիս վիճակին։
Քացախից մինչև միջուկային ռեակտոր
Քեոպսի բուրգում հայտնաբերվել են տարօրինակ կերամիկական անոթներ՝ պարանոցը կնքված է մոմով, խորքում թաքնված է մետաղյա գլան։ Պատերի ներսից հայտնաբերվել են քացախի կամ թթու գինու մնացորդներ։ Գիտնականները եկել են սենսացիոն եզրակացության՝ այս արտեֆակտը մարտկոց է, էլեկտրաէներգիայի աղբյուր։
Բայց մինչև 1600 թվականը ոչ ոք պարտավորություն չստանձնեց ուսումնասիրել այս երևույթը։ Նախքան էլեկտրոնների տեղափոխումը, ուսումնասիրվել է ստատիկ էլեկտրականության բնույթը: Հին հույները գիտեին, որ սաթը արտահոսքեր է տալիս, եթե այն քսում են մորթուն: Այս քարի գույնը նրանց հիշեցրեց Պլեյադներից եկած Էլեկտրա աստղի լույսը: Իսկ հանքանյութի անվանումն իր հերթին դարձավ ֆիզիկական երեւույթը մկրտելու պատճառ։
Առաջին պարզունակ DC աղբյուրը կառուցվել է 1800 թվականին
Իհարկե, հենց հայտնվեց բավականաչափ հզոր կոնդենսատոր, գիտնականները սկսեցին ուսումնասիրել դրան միացված հաղորդիչի հատկությունները։ 1820 թվականին դանիացի գիտնական Հանս Քրիստիան Էրսթեդը հայտնաբերեց, որ մագնիսական ասեղը շեղվել է ցանցում ընդգրկված հաղորդիչի կողքին։ Այս փաստը խթան հաղորդեց Ֆարադեյի կողմից էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի օրենքի բացահայտմանը (բանաձևը կներկայացվի ստորև), որը մարդկությանը թույլ տվեց արդյունահանելէլեկտրաէներգիա ջրից, քամուց և միջուկային վառելիքից։
Պարզունակ, բայց ժամանակակից
Մաքս Ֆարադեյի փորձերի ֆիզիկական հիմքը դրվել է Օերսթեդի կողմից: Եթե անջատված հաղորդիչը ազդում է մագնիսի վրա, ապա ճիշտ է նաև հակառակը. մագնիսացված հաղորդիչը պետք է հոսանք առաջացնի:
Փորձի կառուցվածքը, որն օգնեց դուրս բերել էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի օրենքը (EMF որպես հայեցակարգ, որը մենք կքննարկենք մի փոքր ուշ) բավականին պարզ էր: Զսպանակի մեջ փաթաթված մետաղալարը միացված է սարքին, որը գրանցում է հոսանքը: Գիտնականը մեծ մագնիս է բերել կծիկներին։ Մինչ մագնիսը շարժվում էր շղթայի կողքով, սարքը գրանցեց էլեկտրոնների հոսքը։
Այն ժամանակից ի վեր տեխնիկան բարելավվել է, բայց հսկայական կայաններում էլեկտրաէներգիա ստեղծելու հիմնական սկզբունքը դեռևս նույնն է. շարժվող մագնիսը գրգռում է հոսանք հաղորդիչում, որը փաթաթվում է զսպանակով:
Գաղափարի մշակում
Առաջին փորձը Ֆարադեյին համոզեց, որ էլեկտրական և մագնիսական դաշտերը փոխկապակցված են: Բայց պետք էր հստակ պարզել, թե ինչպես։ Արդյո՞ք մագնիսական դաշտ է առաջանում նաև հոսանք կրող հաղորդիչի շուրջ, թե՞ դրանք պարզապես ունակ են ազդել միմյանց վրա: Ուստի գիտնականն ավելի հեռուն գնաց։ Նա փաթաթեց մի լարը, հոսանք բերեց դրան և այս կծիկը հրեց մեկ այլ աղբյուրի մեջ։ Եվ նա նաև էլեկտրականություն ստացավ։ Այս փորձը ապացուցեց, որ շարժվող էլեկտրոնները ստեղծում են ոչ միայն էլեկտրական, այլև մագնիսական դաշտ։ Ավելի ուշ գիտնականները պարզեցին, թե ինչպես են դրանք գտնվում միմյանց համեմատ տիեզերքում: Էլեկտրամագնիսական դաշտն է նաև պատճառը, որ կալույս.
Փորձարկելով կենդանի հաղորդիչների փոխազդեցության տարբեր տարբերակներ՝ Ֆարադեյը պարզեց, որ հոսանքը լավագույնս փոխանցվում է, եթե և՛ առաջին, և՛ երկրորդ կծիկները փաթաթված են մեկ ընդհանուր մետաղական միջուկի վրա: Էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի օրենքն արտահայտող բանաձևը ստացվել է այս սարքից։
Բանաձևը և դրա բաղադրիչները
Հիմա, երբ էլեկտրաէներգիայի ուսումնասիրության պատմությունը բերվել է Ֆարադեյի փորձին, ժամանակն է գրել բանաձևը.
ε=-dΦ / dt.
Վերծանում:
ε-ն էլեկտրաշարժիչ ուժն է (կարճ EMF): Կախված ε-ի արժեքից, էլեկտրոններն ավելի ինտենսիվ կամ թույլ են շարժվում հաղորդիչում։ Աղբյուրի հզորությունը ազդում է EMF-ի վրա, իսկ էլեկտրամագնիսական դաշտի ուժգնությունը ազդում է դրա վրա:
Φ մագնիսական հոսքի մեծությունն է, որը ներկայումս անցնում է տվյալ տարածքով։ Ֆարադեյը մետաղալարը փաթաթեց զսպանակի մեջ, քանի որ նրան անհրաժեշտ էր որոշակի տարածություն, որով կանցներ հաղորդիչը։ Իհարկե, հնարավոր կլիներ շատ հաստ հաղորդիչ պատրաստել, բայց դա թանկ կարժենա։ Գիտնականն ընտրել է շրջանագծի ձևը, քանի որ այս հարթ պատկերն ունի մակերեսի և մակերեսի երկարության ամենամեծ հարաբերակցությունը: Սա ամենաէներգաարդյունավետ ձևն է: Հետեւաբար, հարթ մակերեսի վրա ջրի կաթիլները դառնում են կլոր: Բացի այդ, կլոր հատվածով զսպանակը շատ ավելի հեշտ է ձեռք բերել. պարզապես անհրաժեշտ է մետաղալարը փաթաթել ինչ-որ կլոր առարկայի շուրջ:
t-ն այն ժամանակն է, երբ հոսքը անցավ օղակով:
Էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի օրենքի բանաձևի d նախածանցը նշանակում է, որ արժեքը դիֆերենցիալ է: այսինքնփոքր մագնիսական հոսքը պետք է տարբերվի փոքր ժամանակային ընդմիջումներով, որպեսզի վերջնական արդյունք ստանանք: Այս մաթեմատիկական գործողությունը մարդկանցից որոշակի նախապատրաստություն է պահանջում։ Բանաձևն ավելի լավ հասկանալու համար մենք խստորեն խրախուսում ենք ընթերցողին հիշել տարբերակումը և ինտեգրումը:
Օրենքի հետևանքները
Ֆարադեյի հայտնագործությունից անմիջապես հետո ֆիզիկոսները սկսեցին ուսումնասիրել էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի ֆենոմենը: Լենցի օրենքը, օրինակ, փորձարարական ձևով ստացվել է ռուս գիտնականի կողմից: Այս կանոնն էր, որ ավելացրեց մինուս վերջնական բանաձևին:
Նա այսպիսի տեսք ունի. ինդուկցիոն հոսանքի ուղղությունը պատահական չէ. Երկրորդ ոլորունում էլեկտրոնների հոսքը, կարծես թե, հակված է նվազեցնելու հոսանքի ազդեցությունը առաջին ոլորունում: Այսինքն՝ էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի առաջացումը իրականում երկրորդ զսպանակի դիմադրությունն է «անձնական կյանքում» միջամտությանը։
Լենցի կանոնն ունի ևս մեկ հետևանք։
- եթե առաջին կծիկի հոսանքը կավելանա, ապա երկրորդ զսպանակի հոսանքը նույնպես աճելու միտում կունենա;
- եթե ինդուկցիոն ոլորման հոսանքն իջնի, երկրորդ ոլորման հոսանքը նույնպես կնվազի:
Համաձայն այս կանոնի, հաղորդիչը, որտեղ առաջանում է ինդուկտիվ հոսանք, իրականում ձգտում է փոխհատուցել փոփոխվող մագնիսական հոսքի ազդեցությունը:
Հացահատիկ և էշ
Օգտագործեք ամենապարզ մեխանիզմները իրենց շահի համար, մարդիկ վաղուց են ձգտում։ Ալյուրը մանրացնելը ծանր աշխատանք է։ Որոշ ցեղեր ձեռքով մանրացնում են հացահատիկը. մի քարի վրա ցորեն են դնում, մեկ այլ հարթ և կլոր քարով ծածկում և պտտվում։ջրաղացաքար. Բայց եթե մի ամբողջ գյուղի համար ալյուր պետք է աղալ, ապա միայն մկանային աշխատանքով չես կարող դա անել: Սկզբում մարդիկ կռահում էին, որ ջրաղացին կապում են քաշող կենդանին։ Էշը քաշեց պարանը՝ քարը պտտվեց։ Հետո, երևի, մարդիկ մտածեցին. «Գետը անընդհատ հոսում է, ամեն տեսակ իրեր է հրում հոսանքն ի վար։ Ինչո՞ւ մենք դա լավ չենք օգտագործում»: Ահա թե ինչպես են հայտնվել ջրաղացները։
Անիվ, ջուր, քամի
Իհարկե, այս կառույցները կառուցած առաջին ինժեներները ոչինչ չգիտեին ձգողականության ուժի մասին, որի պատճառով ջուրը միշտ հակված է ընկնելու, ոչ էլ շփման ուժի կամ մակերևութային լարվածության մասին։ Բայց տեսան՝ եթե առվակի կամ գետի մեջ տրամագծով շեղբերով անիվ դնես, ապա այն ոչ միայն կպտտվի, այլև կկարողանա օգտակար աշխատանք կատարել։
Բայց նույնիսկ այս մեխանիզմը սահմանափակ էր. ամենուր չէ, որ հոսող ջուր կա բավարար հոսանքի ուժով: Այսպիսով, մարդիկ առաջ շարժվեցին: Նրանք կառուցեցին ջրաղացներ, որոնք սնվում էին քամուց։
Ածուխ, մազութ, բենզին
Երբ գիտնականները հասկացան էլեկտրաէներգիայի գրգռման սկզբունքը, դրվեց տեխնիկական խնդիր՝ ստանալ այն արդյունաբերական մասշտաբով։ Այդ ժամանակ (19-րդ դարի կեսեր) աշխարհը մեքենաների տենդի մեջ էր։ Նրանք փորձում էին ամբողջ դժվարին աշխատանքը վստահել ընդլայնվող զույգին։
Բայց այն ժամանակ միայն հանածո վառելանյութերը՝ ածուխը և մազութը, կարողացան տաքացնել մեծ քանակությամբ ջուր: Ուստի աշխարհի այն շրջանները, որոնք հարուստ էին հնագույն ածխածիններով, անմիջապես գրավեցին ներդրողների և աշխատողների ուշադրությունը։ Իսկ մարդկանց վերաբաշխումը հանգեցրեց արդյունաբերական հեղափոխության։
Հոլանդիա ևՏեխաս
Սակայն իրերի այս վիճակը վատ ազդեցություն ունեցավ շրջակա միջավայրի վրա։ Իսկ գիտնականները մտածեցին՝ ինչպե՞ս էներգիա ստանալ՝ առանց բնությունը ոչնչացնելու: Փրկված լավ մոռացված հին. Ջրաղացն օգտագործում էր ոլորող մոմենտ՝ ուղղակիորեն կոպիտ մեխանիկական աշխատանք կատարելու համար: Հիդրոէլեկտրակայանների տուրբինները պտտում են մագնիսներ։
Ներկայումս ամենամաքուր էլեկտրաէներգիան ստացվում է քամու էներգիայից: Տեխասում առաջին գեներատորները կառուցած ինժեներները հիմնվել են Հոլանդիայի հողմաղացների փորձի վրա:
