დღეს ჩვენ გამოვავლენთ ფიზიკის ისეთ ფენომენს, როგორიცაა "ელექტრომაგნიტური ინდუქციის კანონი". ჩვენ გეტყვით, რატომ ჩაატარა ფარადეი ექსპერიმენტები, მივცემთ ფორმულას და აგიხსნით ფენომენის მნიშვნელობას ყოველდღიურ ცხოვრებაში.
ძველი ღმერთები და ფიზიკა
ძველი ხალხი თაყვანს სცემდა უცნობს. ახლა კი ადამიანს ეშინია ზღვის სიღრმისა და სივრცის სიშორის. მაგრამ მეცნიერებას შეუძლია ახსნას რატომ. წყალქვეშა ნავები იღებენ ოკეანეების წარმოუდგენელ სიცოცხლეს კილომეტრზე მეტ სიღრმეზე, კოსმოსური ტელესკოპები სწავლობენ ობიექტებს, რომლებიც არსებობდნენ დიდი აფეთქებიდან მხოლოდ რამდენიმე მილიონი წლის შემდეგ.
მაგრამ შემდეგ ხალხმა გააღმერთა ყველაფერი, რაც მათ ხიბლავდა და აწუხებდა:
- მზის ამოსვლა;
- მცენარეების გაღვიძება გაზაფხულზე;
- წვიმა;
- დაბადება და სიკვდილი.
ყველა ობიექტსა და ფენომენში ცხოვრობდნენ უცნობი ძალები, რომლებიც მართავდნენ სამყაროს. აქამდე ბავშვები მიდრეკილნი არიან ავეჯის და სათამაშოების ჰუმანიზაციას. უფროსების უყურადღებოდ დატოვება ფანტაზიორობენ: საბანი მოეფერება, სკამი მოერგება, ფანჯარა თავისით გაიხსნება.
ალბათ კაცობრიობის პირველი ევოლუციური ნაბიჯი იყო შენარჩუნების უნარიცეცხლი. ანთროპოლოგები ვარაუდობენ, რომ ყველაზე ადრეული ხანძარი ელვისებური ხისგან იყო გაჩენილი.
ამგვარად, ელექტროენერგიას უდიდესი როლი ითამაშა კაცობრიობის ცხოვრებაში. პირველმა ელვამ ბიძგი მისცა კულტურის განვითარებას, ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ძირითადმა კანონმა მიიყვანა კაცობრიობა დღევანდელ მდგომარეობამდე.
ძმრიდან ბირთვულ რეაქტორამდე
კეოფსის პირამიდაში აღმოაჩინეს უცნაური კერამიკული ჭურჭელი: კისერი ცვილით არის დალუქული, სიღრმეში ჩაფლული ლითონის ცილინდრი. კედლების შიგნით აღმოჩნდა ძმრის ან მჟავე ღვინის ნარჩენები. მეცნიერები მივიდნენ სენსაციურ დასკვნამდე: ეს არტეფაქტი არის ბატარეა, ელექტროენერგიის წყარო.
მაგრამ 1600 წლამდე არავის აუღია ამ ფენომენის შესწავლა. ელექტრონების გადაადგილებამდე შეისწავლეს სტატიკური ელექტროენერგიის ბუნება. ძველმა ბერძნებმა იცოდნენ, რომ ქარვა გამონადენს გამოყოფს, თუ მას ბეწვზე ასხამენ. ამ ქვის ფერი მათ აგონებდა პლეადის ვარსკვლავის ელექტრას შუქს. მინერალის სახელწოდება კი, თავის მხრივ, გახდა ფიზიკური ფენომენის მონათლვის მიზეზი.
პირველი პრიმიტიული DC წყარო აშენდა 1800 წელს
რა თქმა უნდა, როგორც კი საკმარისად ძლიერი კონდენსატორი გამოჩნდა, მეცნიერებმა დაიწყეს მასთან დაკავშირებული გამტარის თვისებების შესწავლა. 1820 წელს დანიელმა მეცნიერმა ჰანს კრისტიან ოერსტედმა აღმოაჩინა, რომ მაგნიტური ნემსი გადახრილია ქსელში შემავალი გამტარის გვერდით. ამ ფაქტმა ბიძგი მისცა ფარადეის მიერ ელექტრომაგნიტური ინდუქციის კანონის აღმოჩენას (ფორმულა ქვემოთ იქნება მოცემული), რამაც კაცობრიობას საშუალება მისცა გამოეყვანაელექტროენერგია წყლის, ქარისა და ბირთვული საწვავისგან.
პრიმიტიული, მაგრამ თანამედროვე
მაქს ფარადეის ექსპერიმენტების ფიზიკური საფუძველი ჩაუყარა ოერსტედს. თუ ჩართული გამტარი ზემოქმედებს მაგნიტზე, მაშინ ასევე საპირისპიროა: დამაგნიტებულმა გამტარმა უნდა გამოიწვიოს დენი.
ექსპერიმენტის სტრუქტურა, რომელიც დაეხმარა ელექტრომაგნიტური ინდუქციის კანონის გამოყვანას (EMF, როგორც კონცეფცია, რომელსაც ცოტა მოგვიანებით განვიხილავთ) საკმაოდ მარტივი იყო. მავთულის ჭრილობა ზამბარში უკავშირდება მოწყობილობას, რომელიც არეგისტრირებს დენს. მეცნიერმა ხვეულებთან დიდი მაგნიტი მიიტანა. სანამ მაგნიტი მოძრაობდა მიკროსქემის გვერდით, მოწყობილობამ დაარეგისტრირა ელექტრონების ნაკადი.
ტექნიკა გაუმჯობესდა მას შემდეგ, მაგრამ უზარმაზარ სადგურებზე ელექტროენერგიის შექმნის ძირითადი პრინციპი კვლავ იგივეა: მოძრავი მაგნიტი აღვიძებს დენს ზამბარით დახვეულ გამტარში.
იდეის განვითარება
პირველმა გამოცდილებამ დაარწმუნა ფარადეი, რომ ელექტრული და მაგნიტური ველები ურთიერთდაკავშირებულია. მაგრამ საჭირო იყო ზუსტად გაერკვია როგორ. ასევე წარმოიქმნება მაგნიტური ველი დენის გამტარის ირგვლივ, თუ უბრალოდ შეუძლიათ ერთმანეთზე ზემოქმედება? ამიტომ მეცნიერი უფრო შორს წავიდა. მან ერთი მავთული დაჭრა, დენი მოუტანა და ეს ხვეული მეორე ზამბარში ჩააგდო. და დენიც მიიღო. ამ გამოცდილებამ დაამტკიცა, რომ მოძრავი ელექტრონები ქმნიან არა მხოლოდ ელექტრულ, არამედ მაგნიტურ ველსაც. მოგვიანებით, მეცნიერებმა გაარკვიეს, თუ როგორ მდებარეობენ ისინი ერთმანეთთან შედარებით სივრცეში. ელექტრომაგნიტური ველი ასევე არის მიზეზი იმისა, რომ არსებობსსინათლე.
ცოცხალი გამტარების ურთიერთქმედების სხვადასხვა ვარიანტების ექსპერიმენტებით, ფარადეიმ აღმოაჩინა, რომ დენი საუკეთესოდ გადაიცემა, თუ პირველი და მეორე ხვეულები დახვეულია ერთ საერთო მეტალის ბირთვზე. ელექტრომაგნიტური ინდუქციის კანონის გამოხატვის ფორმულა მიღებული იქნა ამ მოწყობილობაზე.
ფორმულა და მისი კომპონენტები
ახლა, როცა ელექტროენერგიის შესწავლის ისტორია ფარადეის ექსპერიმენტამდე მიიყვანეს, დროა დავწეროთ ფორმულა:
ε=-dΦ / dt.
გაშიფვრა:
ε არის ელექტრომოძრავი ძალა (მოკლედ EMF). ε-ის მნიშვნელობიდან გამომდინარე, ელექტრონები უფრო ინტენსიურად ან სუსტად მოძრაობენ გამტარში. წყაროს სიმძლავრე გავლენას ახდენს EMF-ზე, ხოლო ელექტრომაგნიტური ველის სიძლიერე გავლენას ახდენს მასზე.
Φ არის მაგნიტური ნაკადის სიდიდე, რომელიც ამჟამად გადის მოცემულ არეალში. ფარადეიმ მავთული ზამბარში გადაახვია, რადგან მას სჭირდებოდა გარკვეული სივრცე, რომლითაც გამტარი გაივლიდა. რა თქმა უნდა, შესაძლებელი იქნებოდა ძალიან სქელი გამტარის დამზადება, მაგრამ ეს ძვირი დაჯდება. მეცნიერმა წრის ფორმა აირჩია, რადგან ამ ბრტყელ ფიგურას აქვს ფართობის ყველაზე დიდი შეფარდება ზედაპირის სიგრძესთან. ეს არის ყველაზე ენერგოეფექტური ფორმა. ამიტომ, წყლის წვეთები ბრტყელ ზედაპირზე ხდება მრგვალი. გარდა ამისა, მრგვალი მონაკვეთის მქონე ზამბარის მოპოვება ბევრად უფრო ადვილია: თქვენ უბრალოდ უნდა შემოხვიოთ მავთული მრგვალი ობიექტის გარშემო.
t არის დრო, რომელიც დასჭირდა ნაკადს ციკლში გასავლელად.
პრეფიქსი d ელექტრომაგნიტური ინდუქციის კანონის ფორმულაში ნიშნავს, რომ მნიშვნელობა დიფერენციალურია. ე.იმცირე მაგნიტური ნაკადი უნდა იყოს დიფერენცირებული მცირე დროის ინტერვალებით, რათა მივიღოთ საბოლოო შედეგი. ეს მათემატიკური მოქმედება ხალხისგან გარკვეულ მომზადებას მოითხოვს. ფორმულის უკეთ გასაგებად, ჩვენ მტკიცედ მოვუწოდებთ მკითხველს გაიხსენოს დიფერენციაცია და ინტეგრაცია.
კანონის შედეგები
ფარადეის აღმოჩენისთანავე, ფიზიკოსებმა დაიწყეს ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენის გამოკვლევა. მაგალითად, ლენცის კანონი ექსპერიმენტულად გამოიტანა რუსმა მეცნიერმა. სწორედ ამ წესმა დაამატა მინუსი საბოლოო ფორმულას.
ის ასე გამოიყურება: ინდუქციური დენის მიმართულება შემთხვევითი არ არის; მეორე გრაგნილში ელექტრონების ნაკადი, როგორც იქნა, ამცირებს დენის ეფექტს პირველ გრაგნილში. ანუ, ელექტრომაგნიტური ინდუქციის წარმოქმნა არის რეალურად მეორე ზამბარის წინააღმდეგობა „პირად ცხოვრებაში“ჩარევის მიმართ.
ლენცის წესს კიდევ ერთი შედეგი აქვს.
- თუ დენი პირველ ხვეულში გაიზრდება, მაშინ მეორე ზამბარის დენიც გაიზრდება;
- თუ ინდუქციურ გრაგნილში დენი ეცემა, მეორე გრაგნილში დენიც შემცირდება.
ამ წესის მიხედვით, გამტარი, რომელშიც ინდუცირებული დენი ჩნდება, რეალურად ანაზღაურებს მაგნიტური ნაკადის ცვალებად ეფექტს.
მარცვლეული და ვირი
გამოიყენეთ უმარტივესი მექანიზმები საკუთარი სარგებლისთვის, რასაც ხალხი დიდი ხანია ცდილობს. ფქვილის დაფქვა რთული სამუშაოა. ზოგიერთი ტომი მარცვლეულს ხელით ფქვავს: ერთ ქვაზე ხორბალს სვამენ, მეორე ბრტყელ და მრგვალ ქვას აფარებენ და ატრიალებენ.წისქვილის ქვა. მაგრამ თუ მთელი სოფლისთვის ფქვილის დაფქვა გჭირდებათ, მაშინ ამას მარტო კუნთოვანი შრომით ვერ გააკეთებთ. თავიდან ხალხმა გამოიცნო, რომ წისქვილის ქვაზე მიბმული ცხოველი მიამაგრეს. ვირმა თოკი გასწია - ქვა შემოტრიალდა. მაშინ, ალბათ, ხალხი ფიქრობდა: „მდინარე მუდმივად მიედინება, ყველანაირ ნივთს უბიძგებს ქვემოთ. რატომ არ ვიყენებთ მას სასიკეთოდ? ასე გაჩნდა წყლის წისქვილები.
ბორბალი, წყალი, ქარი
რა თქმა უნდა, პირველმა ინჟინრებმა, რომლებმაც ეს სტრუქტურები ააშენეს, არაფერი იცოდნენ მიზიდულობის ძალის შესახებ, რომლის გამოც წყალი ყოველთვის ცვივა, არც ხახუნის ძალის ან ზედაპირული დაძაბულობის შესახებ. მაგრამ მათ დაინახეს: თუ ნაკადულში ან მდინარეში დიამეტრზე პირებით ბორბალს დააყენებთ, ის არა მხოლოდ ბრუნავს, არამედ შეძლებს სასარგებლო სამუშაოს შესრულებას.
მაგრამ ეს მექანიზმიც კი შეზღუდული იყო: ყველგან არ არის გამდინარე წყალი საკმარისი დენის სიმძლავრით. ასე რომ ხალხი გადავიდა. მათ ააშენეს წისქვილები, რომლებიც იკვებებოდა ქარით.
ნახშირი, საწვავი, ბენზინი
როდესაც მეცნიერებმა გაიგეს ელექტროენერგიის აგზნების პრინციპი, დაისვა ტექნიკური ამოცანა: მისი მიღება ინდუსტრიული მასშტაბით. იმ დროს (მეცხრამეტე საუკუნის შუა ხანები) სამყარო მანქანების სიცხეში იყო. ისინი ცდილობდნენ მთელი რთული სამუშაო მზარდ წყვილს მიენდონ.
მაგრამ მაშინ მხოლოდ წიაღისეული საწვავი, ქვანახშირი და მაზუთი, ახერხებდნენ წყლის დიდი მოცულობის გაცხელებას. ამიტომ, მსოფლიოს იმ რეგიონებმა, რომლებიც მდიდარი იყო უძველესი ნახშირბადით, მაშინვე მიიპყრო ინვესტორებისა და მუშების ყურადღება. და ხალხის გადანაწილებამ გამოიწვია ინდუსტრიული რევოლუცია.
ჰოლანდია დატეხასი
თუმცა, ამ მდგომარეობამ ცუდი გავლენა მოახდინა გარემოზე. და მეცნიერები ფიქრობდნენ: როგორ მივიღოთ ენერგია ბუნების განადგურების გარეშე? გადარჩენილი კარგად დავიწყებული ძველი. წისქვილი იყენებდა ბრუნვას უშუალოდ უხეში მექანიკური სამუშაოების შესასრულებლად. ჰიდროელექტროსადგურების ტურბინები ბრუნავს მაგნიტებს.
ამჟამად ყველაზე სუფთა ელექტროენერგია მოდის ქარის ენერგიაზე. ინჟინრებმა, რომლებმაც ტეხასში ააშენეს პირველი გენერატორები, გამოიყენეს ქარის წისქვილების გამოცდილება ჰოლანდიაში.
