Heute werden wir ein solches physikalisches Phänomen wie das "Gesetz der elektromagnetischen Induktion" enthüllen. Wir sagen Ihnen, warum Faraday Experimente durchgeführt hat, geben eine Formel und erklären die Bedeutung des Phänomens für den Alltag.
Alte Götter und Physik
Alte Menschen verehrten das Unbekannte. Und jetzt hat ein Mann Angst vor den Tiefen des Meeres und der Weite des Weltraums. Aber die Wissenschaft kann erklären, warum. U-Boote fangen das unglaubliche Leben der Ozeane in mehr als einem Kilometer Tiefe ein, Weltraumteleskope untersuchen Objekte, die nur wenige Millionen Jahre nach dem Urknall existierten.
Aber dann vergötterten die Menschen alles, was sie faszinierte und störte:
- Sonnenaufgang;
- erwachende Pflanzen im Frühling;
- regen;
- Geburt und Tod.
In jedem Objekt und Phänomen lebten unbekannte Kräfte, die die Welt beherrschten. Bisher neigen Kinder dazu, Möbel und Spielzeug zu vermenschlichen. Unbeaufsichtigt von Erwachsenen phantasieren sie: Eine Decke wird sich umarmen, ein Hocker passt hinein, das Fenster wird sich von selbst öffnen.
Vielleicht war der erste evolutionäre Schritt der Menschheit die Fähigkeit zur Erh altungdas Feuer. Anthropologen vermuten, dass die ersten Brände von einem vom Blitz getroffenen Baum entfacht wurden.
Daher hat Elektrizität eine große Rolle im Leben der Menschheit gespielt. Der erste Blitz gab Anstoß zur Entwicklung der Kultur, das Grundgesetz der elektromagnetischen Induktion brachte die Menschheit auf den heutigen Stand.
Vom Essig zum Kernreaktor
In der Cheops-Pyramide wurden seltsame Keramikgefäße gefunden: Der Hals ist mit Wachs versiegelt, in der Tiefe verbirgt sich ein Metallzylinder. An den Innenseiten der Wände wurden Reste von Essig oder Sauerwein gefunden. Wissenschaftler sind zu einem sensationellen Schluss gekommen: Dieses Artefakt ist eine Batterie, eine Stromquelle.
Aber bis 1600 unternahm niemand die Untersuchung dieses Phänomens. Vor der Bewegung von Elektronen wurde die Natur der statischen Elektrizität erforscht. Die alten Griechen wussten, dass Bernstein Ausscheidungen verursacht, wenn man ihn an Fell reibt. Die Farbe dieses Steins erinnerte sie an das Licht des Sterns Elektra von den Plejaden. Und der Name des Minerals wurde wiederum zum Anlass, das physikalische Phänomen zu taufen.
Die erste primitive Gleichstromquelle wurde 1800 gebaut
Natürlich begannen die Wissenschaftler, sobald ein ausreichend starker Kondensator auftauchte, die Eigenschaften des daran angeschlossenen Leiters zu untersuchen. 1820 entdeckte der dänische Wissenschaftler Hans Christian Oersted, dass eine Magnetnadel neben einem im Netzwerk enth altenen Leiter abweicht. Diese Tatsache gab Anstoß zur Entdeckung des Gesetzes der elektromagnetischen Induktion durch Faraday (die Formel wird unten angegeben), die es der Menschheit ermöglichte, zu extrahierenStrom aus Wasser, Wind und Kernbrennstoff.
Primitiv aber modern
Die physikalische Grundlage der Experimente von Max Faraday wurde von Oersted gelegt. Wirkt ein gesch alteter Leiter auf einen Magneten, so gilt auch das Gegenteil: Ein magnetisierter Leiter muss einen Strom induzieren.
Die Struktur des Experiments, das dabei half, das Gesetz der elektromagnetischen Induktion (EMF als Konzept, das wir später betrachten werden) abzuleiten, war ziemlich einfach. Ein zu einer Feder gewickelter Draht ist mit einem Gerät verbunden, das den Strom registriert. Der Wissenschaftler brachte einen großen Magneten zu den Spulen. Während sich der Magnet neben dem Stromkreis bewegte, registrierte das Gerät den Elektronenfluss.
Die Technik hat sich seitdem verbessert, aber das Grundprinzip der Stromerzeugung an riesigen Stationen ist immer noch dasselbe: Ein sich bewegender Magnet erregt einen Strom in einem von einer Feder umwickelten Leiter.
Ideenentwicklung
Die allererste Erfahrung überzeugte Faraday davon, dass elektrische und magnetische Felder miteinander verbunden sind. Aber es war notwendig, genau herauszufinden, wie. Entsteht auch um einen stromdurchflossenen Leiter herum ein Magnetfeld oder können sie sich einfach gegenseitig beeinflussen? Deshalb ging der Wissenschaftler weiter. Er wickelte einen Draht, brachte Strom dazu und schob diese Spule in eine andere Feder. Und er bekam auch Strom. Diese Erfahrung bewies, dass sich bewegende Elektronen nicht nur ein elektrisches, sondern auch ein magnetisches Feld erzeugen. Später fanden Wissenschaftler heraus, wie sie sich im Raum relativ zueinander befinden. Das elektromagnetische Feld ist auch der Grund dafürLicht.
Durch Experimentieren mit verschiedenen Optionen für das Zusammenwirken von stromführenden Leitern fand Faraday heraus, dass der Strom am besten übertragen wird, wenn sowohl die erste als auch die zweite Spule auf einen gemeinsamen Metallkern gewickelt sind. Die Formel, die das Gesetz der elektromagnetischen Induktion ausdrückt, wurde auf diesem Gerät abgeleitet.
Die Formel und ihre Bestandteile
Nun, da die Geschichte des Studiums der Elektrizität zum Faraday-Experiment gebracht wurde, ist es an der Zeit, die Formel zu schreiben:
ε=-dΦ / dt.
Entziffern:
ε ist die elektromotorische Kraft (kurz EMF). Je nach Wert von ε bewegen sich die Elektronen intensiver oder schwächer im Leiter. Die Leistung der Quelle beeinflusst die EMF und die Stärke des elektromagnetischen Feldes beeinflusst sie.
Φ ist die Größe des magnetischen Flusses, der gerade durch einen bestimmten Bereich fließt. Faraday wickelte den Draht zu einer Feder, weil er einen bestimmten Raum brauchte, durch den der Leiter hindurchgehen würde. Natürlich wäre es möglich, einen sehr dicken Leiter herzustellen, aber das wäre teuer. Der Wissenschaftler wählte die Kreisform, weil diese flache Figur das größte Verhältnis von Fläche zu Oberflächenlänge hat. Dies ist die energieeffizienteste Form. Daher werden Wassertropfen auf einer ebenen Oberfläche rund. Außerdem ist eine Feder mit rundem Querschnitt viel einfacher zu bekommen: Sie brauchen nur den Draht um irgendeinen runden Gegenstand zu wickeln.
t ist die Zeit, die der Fluss benötigt hat, um die Schleife zu durchlaufen.
Das Präfix d in der Formel des Gesetzes der elektromagnetischen Induktion bedeutet, dass der Wert differentiell ist. Alsoein kleiner magnetischer Fluss muss über kleine Zeitintervalle differenziert werden, um das Endergebnis zu erh alten. Diese mathematische Aktion erfordert einige Vorbereitung von Menschen. Um die Formel besser zu verstehen, empfehlen wir dem Leser dringend, sich an Differenzierung und Integration zu erinnern.
Rechtsfolgen
Unmittelbar nach Faradays Entdeckung begannen Physiker, das Phänomen der elektromagnetischen Induktion zu untersuchen. Das Lenzsche Gesetz wurde zum Beispiel von einem russischen Wissenschaftler experimentell hergeleitet. Diese Regel fügte der endgültigen Formel ein Minus hinzu.
Er sieht so aus: Die Richtung des Induktionsstroms ist nicht zufällig; der Elektronenfluss in der zweiten Wicklung neigt sozusagen dazu, die Wirkung des Stroms in der ersten Wicklung zu verringern. Das heißt, das Auftreten elektromagnetischer Induktion ist eigentlich der Widerstand der zweiten Feder gegen Störungen im „persönlichen Leben“.
Die Regel von Lenz hat eine weitere Konsequenz.
- wenn der Strom in der ersten Spule ansteigt, dann wird auch der Strom in der zweiten Feder tendenziell ansteigen;
- wenn der Strom in der Induktionswicklung sinkt, sinkt auch der Strom in der zweiten Wicklung.
Nach dieser Regel neigt ein Leiter, in dem ein induzierter Strom auftritt, tatsächlich dazu, die Wirkung eines sich ändernden magnetischen Flusses zu kompensieren.
Getreide und Esel
Die einfachsten Mechanismen zum eigenen Vorteil nutzen, streben Menschen schon lange an. Mehl zu mahlen ist harte Arbeit. Einige Stämme mahlen Getreide von Hand: Weizen auf einen Stein legen, mit einem anderen flachen und runden Stein bedecken und drehenMühlstein. Aber wenn man Mehl für ein ganzes Dorf mahlen muss, dann geht das nicht mit Muskelarbeit allein. Zuerst vermutete man, ein Zugtier an den Mühlstein zu binden. Der Esel zog am Seil – der Stein drehte sich. Damals dachten die Leute wahrscheinlich: „Der Fluss fließt die ganze Zeit, er schiebt alles Mögliche flussabwärts. Warum nutzen wir es nicht zum Guten? So entstanden Wassermühlen.
Rad, Wasser, Wind
Natürlich wussten die ersten Ingenieure, die diese Strukturen bauten, nichts über die Schwerkraft, aufgrund derer Wasser immer dazu neigt, zu fallen, noch über die Reibungskraft oder die Oberflächenspannung. Aber sie sahen: Wenn Sie ein Rad mit Schaufeln auf einen Durchmesser in einem Bach oder Fluss stellen, dreht es sich nicht nur, sondern kann auch nützliche Arbeit leisten.
Aber auch dieser Mechanismus war begrenzt: nicht überall gibt es fließendes Wasser mit ausreichender Stromstärke. Also zogen die Leute weiter. Sie bauten Mühlen, die vom Wind angetrieben wurden.
Kohle, Heizöl, Benzin
Als Wissenschaftler das Prinzip der Erregung von Elektrizität verstanden, wurde eine technische Aufgabe gestellt: es im industriellen Maßstab zu erreichen. Damals (Mitte des 19. Jahrhunderts) war die Welt im Maschinenfieber. Sie versuchten, die ganze schwierige Arbeit dem expandierenden Paar anzuvertrauen.
Aber damals waren nur fossile Brennstoffe, Kohle und Heizöl, in der Lage, große Wassermengen zu erhitzen. Daher zogen jene Regionen der Welt, die reich an alten Kohlenstoffen waren, sofort die Aufmerksamkeit von Investoren und Arbeitern auf sich. Und die Umverteilung der Menschen führte zur industriellen Revolution.
Holland undTexas
Dieser Umstand hatte jedoch negative Auswirkungen auf die Umwelt. Und die Wissenschaftler dachten: Wie bekommt man Energie, ohne die Natur zu zerstören? Gut vergessen alt gerettet. Die Mühle verwendete Drehmoment, um direkt grobe mechanische Arbeit zu leisten. Turbinen von Wasserkraftwerken drehen Magnete.
Aktuell kommt der sauberste Strom aus Windkraft. Die Ingenieure, die die ersten Generatoren in Texas bauten, stützten sich auf die Erfahrungen mit Windmühlen in Holland.
