Heute sprechen wir über die Erfahrungen des englischen Physikers Faraday und die Bedeutung der elektromagnetischen Induktion in der modernen Welt.
Sonne, Blitz, Vulkan
Die Menschen der Antike verehrten das Unbegreifliche. Wir sprechen von den Zeiten, als die fortschrittlichste Erfindung die Fähigkeit war, einen Stock und einen Stein zu einem einfachen Werkzeug zu kombinieren. Es gab keine Erklärung für den täglichen Lauf der Sonne, die Mondphasen, Vulkane, das Auftreten von Blitz und Donner.
Mit Gewittern hat die Menschheit einen eigenen Roman. Feuer vertrieb die Dunkelheit, gab ein Gefühl der Sicherheit, inspirierte zu Entdeckungen. Und Wissenschaftler vermuten, dass das erste kontrollierte Feuer aus Holz entstand, das durch Blitze in Brand gesteckt wurde.
Hammer und Magnet
Ein wenig später lernten die Menschen, Hitze zu nutzen, um Metall zu schmelzen. Die ersten starken Werkzeuge erschienen, die halfen, die umliegende Natur zu erobern. Ausschließlich durch Experimente stolperten verschiedene Meister wahrscheinlich über ungewöhnliche und seltsame Vorfälle. Beispielsweise könnte sich ein Eisenstück plötzlich in Gegenwart eines anderen bewegen (Magnetismus). Im neunzehnten Jahrhundert wurden diese Phänomene durch die Experimente von Faraday erklärt (elektromagnetische Induktion im modernen Sinne entstand genau damals).
Wissenschaft undKönige
Elektrischer Strom ist schon lange bekannt. Sie wussten Eisen von Glas durch die Eigenschaft, Elektronen zu leiten, in der Zeit von Michelangelo zu unterscheiden. Aber bis Anfang des neunzehnten Jahrhunderts wurde dieses Phänomen ausschließlich als lustiges Phänomen betrachtet. Darüber hinaus wurden Wissenschaftler immer von einem wohlhabenden Philanthropen gesponsert - einem Grafen, Herzog oder König. Und das investierte Geld sollte sich, wie Sie wissen, auszahlen. Physiker und Chemiker mussten also so arbeiten, dass die militärische Macht des Adligen zunahm, er mehr Gewinn erzielte oder sich an einem strahlenden Spektakel erfreute.
Einige Experimente wurden den Gästen als Zeichen der Macht des Besitzers des Geldes gezeigt. Galileo benannte die Jupitermonde, die er zu Ehren seines Schutzpatrons, der Medici, entdeckte. Also mit Strom. Faradays Experimente bestätigten die elektromagnetische Induktion experimentell. Aber vor ihm gab es Oersteds Studien.
Elektrisch oder magnetisch?
Der Magnet (der Hauptteil des Kompasses) wurde von Seeleuten benutzt, die Amerika, Australien und den Weg nach Indien entdeckten. Strom war ein interessanter Spaß. 1820 wies der dänische Wissenschaftler Hans Christian Oersted den Zusammenhang zwischen den magnetischen und elektrischen Eigenschaften von Leitern nach. Sein Experiment war der Vorläufer des Experiments von Faraday, dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion und allem, was aus den Entdeckungen jener Jahre folgte.
Also nahm Oersted einen linearen Leiter (dicken Draht) und platzierte eine Magnetnadel darunter. Als der Wissenschaftler den Strom einsch altete, verschoben sich die Pole des Magneten: Der Pfeil stand senkrecht zum Leiter. Der Physiker wiederholte das Experiment viele Male,veränderte die Geometrie des Experiments und die Richtung des Stroms im Leiter. Das Ergebnis war das gleiche: Die Lage der Pole der Magnetnadel war bezüglich des Bewegungsvektors der Elektronen immer gleich. Nun erscheint diese Erfahrung sehr einfach und verständlich. Doch die Entdeckung hatte weitreichende Folgen: Oersted bewies den direkten Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Feldern.
Eigentumsverhältnis
Aber wenn der elektrische Strom den Magneten beeinflussen könnte, könnte der Magnet dann die Elektronen bewegen? Dies versuchte Faraday mit dem Experiment zu beweisen, dessen Beschreibung wir nun geben werden.
Der Wissenschaftler wickelte den Draht zu einer Spirale (Spule), schloss ein Stromerfassungsgerät daran an und brachte einen Magneten an die Struktur. Die Zählernadel flackerte. Die Erfahrung erwies sich als erfolgreich. Michael Faraday wendete in Zukunft verschiedene Ansätze an und fand heraus: Wenn wir statt eines Magneten eine Spule nehmen und darin einen Strom anregen, dann erscheint auch in der benachbarten Spule ein Strom. Die Wechselwirkung ist noch effektiver, wenn ein leitender Kern in die Windungen beider Helices eingefügt wird.
Gesetz der elektromagnetischen Induktion
Das Faradaysche Induktionsgesetz für einen geschlossenen Stromkreis wird durch die Formel ausgedrückt: ε=-dΦ / dt.
Hier ist ε die elektromotorische Kraft, die bewirkt, dass sich die Elektronen im Leiter bewegen (abgekürzt als EMF), Φ ist die Größe des magnetischen Flusses, der gerade durch einen bestimmten Bereich fließt, und t ist die Zeit.
Diese Formel ist differentiell. Das bedeutet, dass die EMF für alle kleinen Zeiträume mit kleinen Flächenstücken berechnet werden sollte. SONDERNUm die gesamte elektromotorische Kraft zu erh alten, muss das Ergebnis summiert werden.
Das Minus in der Formel ergibt sich aus der Lenzschen Regel. Es lautet: Die Induktions-EMK ist so gerichtet, dass der erregte Strom die Änderung der Flussrichtung blockiert.
Diese Regel lässt sich ganz einfach an einem Beispiel erklären: Wenn der Strom in der ersten Spule ansteigt, steigt auch der Strom in der zweiten an; Wenn der Strom in der ersten Spule abnimmt, wird auch der induzierte schwächer.
Anwendung des Faradayschen Gesetzes
Das moderne Leben ist ohne Strom undenkbar. In „The Day the Earth Stood Still“verändert Keanu Reeves‘Charakter den Lauf der Menschheitsgeschichte, indem er die Generatoren absch altet. Wir werden jetzt nicht über die Mechanismen dieses Vorfalls sprechen. Fiktion lässt der Fantasie freien Lauf, beschreibt aber nicht die Möglichkeiten. Aber die Folgen eines solchen Phänomens wären wirklich global: von der Zerstörung der städtischen Infrastruktur bis hin zu Hungersnöten. Eigentlich müssten die Menschen ihre Zivilisation umbauen, um sich an eine Existenz ohne Strom anzupassen.
Viele Science-Fiction-Autoren nutzen die Handlung einer globalen Katastrophe. Neben dem Stromausfall sind die Gründe für eine so große Änderung:
- fremde Invasion;
- falsches bakteriologisches Experiment;
- zufällige Entdeckung eines physikalischen Gesetzes, das die Struktur der Materie verändert (zB Eis-9);
- Atomkrieg oder Katastrophe;
- ein evolutionärer Sprung der Menschen (die neue Menschheit braucht einfach keine Technologie).
Suche nach Energiequellen istseparater Bereich menschlicher Aktivität. Menschen nutzen die Energie fossiler Ressourcen, Wasser, Wind, Wellen, die Wärme unterirdischer Thermalwässer und das Atom, um Strom zu gewinnen. Alle Stationen funktionieren dank des Prinzips, dessen Existenz von Faraday in seinen Experimenten bewiesen wurde. Außerdem unterscheidet sich das Schema zur Stromerzeugung nicht allzu sehr von seinem Experiment: Eine bestimmte Kraft dreht einen riesigen Magneten (Rotor), was wiederum Strom in den Spulen anregt.
Natürlich fanden die Leute ein hervorragendes Material für Kerne, lernten, wie man riesige Spulen herstellt, Wickellagen viel besser voneinander isoliert. Aber im Allgemeinen steht die moderne Zivilisation auf der Erfahrung, die Michael Faraday im August 1831 gemacht hat.
