Законът за електромагнитната индукция. Правилото на Ленц и Фарадей

Днес ще разкрием такъв феномен на физиката като "закон на електромагнитната индукция". Ще разберем защо Фарадей провежда експерименти, дава формула и обяснява важността на феномена за всекидневния живот.

Древните богове и физика

Древните хора се покланяха на неизвестното. И сега човекът се страхува от морската пропаст и от разстоянието на космоса. Но науката може да обясни защо. Подводниците премахват невероятния живот на океаните на дълбочина над километър, а космическите телескопи изследват обекти, които са съществували само няколко милиона години след Големия взрив.

Но тогава хората обожеха всичко, което ги очарова и ги притесняваше:

• изгрев;
• пробуждането на растенията през пролетта;
• дъжд;
• раждане и смърт.

Във всеки обект и явление живеели непознатите сили, управляващи света. Досега децата са склонни да хуманизират мебели и играчки. Като остават без надзор възрастни, те фантазират: одеялото ще прегърне, столът ще се побере, прозорецът ще се отвори.

Може би първата еволюционна стъпка на човечеството беше способността да се поддържа огън. Антрополозите предполагат, че най-ранните пожари са били запалени от дървото, в което се ударила мълния.

По този начин електроенергията играе огромна роля в живота на човечеството. Първата светкавица даде тласък на развитието на културата, основният закон за електромагнитната индукция доведе човечеството до сегашното състояние.

От оцет до ядрен реактор

В пирамидата на Чеопс са открити странни керамични съдове: гърлото, запечатано с восък, в дълбочината на скрития метален цилиндър. Останките от оцет или кисело вино са намерени във вътрешността на стените. Учените стигнаха до сензационно заключение: този артефакт е батерия, източник на електроенергия.

Но преди 1600 г. никой не е изучавал този феномен. Преди да се движат електрони, естеството на статичното електричество беше изследвано. Фактът, че кехлибарят дава редове, ако се търкат срещу козината, беше познат и от древните гърци. Цветът на този камък им напомняше за светлината на звездата "Електра" от Плеядите. И името на минерала от своя страна стана повод за кръщение на физическо явление.

Първият примитивен DC източник е построен през 1800 година

Естествено, веднага щом се появи достатъчно мощен кондензатор, учените започнаха да изучават свойствата на свързания с него проводник. През 1820 г. датският учен Ханс Кристиан Оерстед открива, че магнитната игла се отклонява до диригента, включен в мрежата. Този факт даде тласък на откриването на закона за електромагнитната индукция Фарадей (формулата ще бъде дадена по-долу), което позволи на човечеството да извлича електричество от вода, вятър и ядрено гориво.

Примитивен, но модерен

Физическата основа на експериментите на Макс Фарадей бе положена от Оерстед. Ако включеният проводник влияе върху магнита, то и обратното е вярно: магнитният проводник трябва да задейства ток.

Структурата на експеримента, която помогна за извличането на закона за електромагнитната индукция (ЕМП като концепция, която ще разгледаме по-късно), беше много проста. Тръбата, намотана в пружина, е свързана към устройството, което регистрира тока. На намотките ученият повдигна голям магнит. Докато магнитът се движеше до веригата, устройството регистрира потока от електрони.

Оттогава насам техниката е подобрена, но основният принцип за създаване на електроенергия при огромни станции е същият: движещият се магнит възбужда тока в проводник с пролетно навиване.

Разработване на идеи

Първото преживяване убеди Фарадей, че електрическите и магнитните полета са взаимосвързани. Но трябваше да разбере как. Има ли магнитно поле около проводника, или просто те могат да се влияят един друг? Така че ученият продължи. Той навиваше един проводник, донесъл ток и тази намотка беше избутана в другата пролет. И аз също получих електричество. Този експеримент доказва, че движещите се електрони създават не само електрическо поле, но и магнитно поле. По-късно учените разбрали как се намират в пространството помежду си. Електромагнитното поле също е причината за наличието на светлина.

Опитвайки се с различни възможности за взаимодействие на проводници под напрежение, Фарадей откри, че токът се предава най-добре, ако двете първи и втора намотки са навити на едно общо метално ядро. Формулата, изразяваща закона за електромагнитната индукция, се получава точно на това устройство.

Формула и нейните компоненти

Сега, когато историята на изучаването на електричеството се довежда до експеримента на Фарадей, е време да напишем формулата:

epsilon- = -dPhi- / dt.

Ние дешифрираме:

epsilon- е електродвижеща сила (съкратено ЕМП). В зависимост от размера epsilon-електроните се движат в проводник по-интензивно или по-слабо. Емфът се влияе от силата на източника и от него - интензивността на електромагнитното поле.

Phi е магнитудът на магнитния поток, който преминава в даден момент през дадена област. Фарадей сгъна телта в пролет, тъй като се нуждаеше от определено пространство, през което проводникът да мине. Разбира се, може да се направи много дебел диригент, но би било скъпо. Ученият е избрал формата на кръга, защото тази равнина има най-голямо съотношение между площта и дължината на повърхността. Това е най-енергично ефективната форма. Ето защо водните капчици на равна повърхност стават кръгли. Освен това е много по-лесно да се получи пружина с кръгло напречно сечение: достатъчно е само да вятърът на жицата на някой кръгъл обект.

t е времето, през което потокът преминава през веригата.

Префикс d във формулата на закона за електромагнитна индукция означава, че стойността е различна. Това означава, че малък магнитен поток трябва да се диференцира през малки интервали от време, за да се получи крайният резултат. Това математическо действие изисква хората до известна степен готовност. За да разберем по-добре формулата, силно препоръчваме на читателя да припомни диференциацията и интеграцията.

Последствия от закона

Веднага след откриването на Фарадей физиците започнали да изследват явлението електромагнитна индукция. Законът "Ленц", например, е извлечен експериментално от руски учен. Това правило е добавило минус към окончателната формула.

Изглежда, че посоката на индукционния ток не е случайна, потокът от електрони във втората намотка има тенденция да намали ефекта на тока в първата намотка. Това означава, че появата на електромагнитна индукция всъщност е съпротивлението на втората пролет до намеса в "личния живот".

Правилото Lenz има и друго последствие.

• ако токът в първата бобина се увеличи, то токът на втората пружина също ще се увеличи;
• Ако токът в индуктивната намотка падне, тогава токът във втората намалява.

Според това правило проводникът, в който се генерира индуцираният ток, всъщност има тенденция да компенсира действието на променящия се магнитен поток.

Зърно и магаре

Хората използваха най-простите механизми за свое собствено добро от дълго време. Изсичането на брашното е трудна задача. Някои племена ръчно смилат зърното: полагат пшеница на един камък, покриват с друг плосък и кръгъл камък и обръщат воденичния камък. Но ако трябва да смилате брашното по цялото село, то не може да се направи без мускулен труд. Отначало хората предположиха, че ще свържат едно животно с теглене към воденицата. Магарето дърпа въжето - камъкът се върти. После вероятно хората са си помислили: "Реката тече през цялото време, натиска обектите надолу по течението. Защо не го използваме завинаги? "Така се появиха водениците.

Колело, вода, вятър

Разбира се, първите инженери, които са построили тези структури, не са знаели нищо за гравитационната сила, поради което водата винаги е надолу, нито за силата на триене или повърхностно напрежение. Но те видяха: ако сложите колело с остриета върху диаметъра в потока или реката, то не само ще се върти, но и ще може да върши полезна работа.

Но този механизъм също е ограничен: не винаги има течаща вода с достатъчна сила на потока. Затова хората продължиха. Те построиха мелници, които работеха от вятъра.

Въглища, мазут, бензин

Когато учените разбраха принципа за възбуждане на електроенергия, беше зададена техническа задача: да се получи в промишлен мащаб. По това време (в средата на деветнадесети век) светът е бил изместен от треската на автомобилите. Цялата упорита работа бе потърсена, за да поверим разширяващата се двойка.

Но тогава те можеха само да затоплят големи количества вода с изкопаеми горива - въглища и мазут. Затова тези, региони на света, които са богати на древни въглени, веднага привлякоха вниманието на инвеститорите и работниците. И преразпределението на хората доведе до индустриална революция.

Холандия и Тексас

Това състояние на нещата обаче оказва лошо въздействие върху околната среда. И учените мислели: как да получават енергия без да унищожават природата? Получени добре забравени стари. Мелницата използва въртящия момент, за да извършва директно груб механичен труд. Турбините на водноелектрически централи въртят магнити.

В момента най-чистата електроенергия се получава от вятърната енергия. Инженерите, които построиха първите генератори на Тексас, разчитаха на опита на вятърните мелници в Холандия.