Hôm nay chúng ta sẽ tiết lộ một hiện tượng vật lý như "định luật cảm ứng điện từ". Chúng tôi sẽ cho bạn biết tại sao Faraday lại tiến hành các thí nghiệm, đưa ra công thức và giải thích tầm quan trọng của hiện tượng này đối với cuộc sống hàng ngày.
Các vị thần cổ đại và vật lý
Người xưa tôn thờ cái chưa biết. Và bây giờ một người sợ độ sâu của biển và khoảng cách của không gian. Nhưng khoa học có thể giải thích tại sao. Tàu ngầm ghi lại sự sống đáng kinh ngạc của đại dương ở độ sâu hơn một km, kính viễn vọng không gian nghiên cứu các vật thể tồn tại chỉ vài triệu năm sau vụ nổ lớn.
Nhưng sau đó mọi người tôn sùng mọi thứ khiến họ mê mẩn và quấy rầy:
- mặt trời mọc;
- đánh thức cây cỏ vào mùa xuân;
- mưa;
- sinh và tử.
Trong mọi vật thể và hiện tượng đều tồn tại những thế lực vô danh cai trị thế giới. Từ trước đến nay, trẻ em có xu hướng nhân hóa đồ đạc, đồ chơi. Không được người lớn trông coi, họ mơ tưởng: một cái chăn sẽ ôm, một chiếc ghế đẩu sẽ vừa vặn, cửa sổ sẽ tự mở.
Có lẽ bước tiến hóa đầu tiên của loài người là khả năng duy trìngọn lửa. Các nhà nhân chủng học cho rằng những ngọn lửa sớm nhất được thắp lên từ một cái cây bị sét đánh.
Như vậy, điện năng đã đóng một vai trò to lớn trong đời sống của loài người. Tia chớp đầu tiên đã thúc đẩy sự phát triển của văn hóa, quy luật cơ bản của cảm ứng điện từ đã đưa loài người đến trạng thái hiện tại.
Từ giấm đến lò phản ứng hạt nhân
Những bình gốm kỳ lạ được tìm thấy trong kim tự tháp Cheops: cổ được bịt kín bằng sáp, dưới vực sâu ẩn chứa một hình trụ kim loại. Dấu tích của giấm hoặc rượu chua được tìm thấy ở bên trong các bức tường. Các nhà khoa học đã đưa ra một kết luận giật gân: hiện vật này là một cục pin, một nguồn điện.
Nhưng cho đến năm 1600 vẫn chưa có ai tiến hành nghiên cứu hiện tượng này. Trước khi các electron chuyển động, bản chất của tĩnh điện đã được khám phá. Người Hy Lạp cổ đại biết rằng hổ phách tạo ra phóng điện nếu nó được cọ xát với lông thú. Màu sắc của viên đá này khiến họ liên tưởng đến ánh sáng của ngôi sao Electra từ Pleiades. Và đến lượt nó, tên của khoáng chất này đã trở thành lý do để đặt tên cho hiện tượng vật lý.
Nguồn DC nguyên thủy đầu tiên được xây dựng vào năm 1800
Tất nhiên, ngay sau khi một tụ điện đủ mạnh xuất hiện, các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu các đặc tính của vật dẫn kết nối với nó. Vào năm 1820, nhà khoa học người Đan Mạch Hans Christian Oersted đã phát hiện ra rằng một kim từ tính bị lệch bên cạnh một vật dẫn điện trong mạng lưới. Thực tế này đã tạo động lực cho việc khám phá ra định luật cảm ứng điện từ của Faraday (công thức sẽ được đưa ra bên dưới), cho phép nhân loại rút rađiện từ nước, gió và nhiên liệu hạt nhân.
Nguyên thủy nhưng hiện đại
Cơ sở vật lý của các thí nghiệm của Max Faraday được đặt ra bởi Oersted. Nếu một dây dẫn bị chuyển mạch ảnh hưởng đến một nam châm, thì điều ngược lại cũng đúng: một dây dẫn bị nhiễm từ phải tạo ra dòng điện.
Cấu trúc của thí nghiệm giúp hình thành định luật cảm ứng điện từ (EMF như một khái niệm mà chúng ta sẽ xem xét sau này) khá đơn giản. Một dây quấn vào một lò xo được nối với một thiết bị ghi lại dòng điện. Nhà khoa học đã đưa một nam châm lớn vào các cuộn dây. Trong khi nam châm di chuyển bên cạnh mạch, thiết bị đã ghi nhận dòng electron.
Kỹ thuật đã được cải thiện kể từ đó, nhưng nguyên tắc cơ bản của việc tạo ra điện tại các trạm khổng lồ vẫn giống nhau: một nam châm chuyển động kích thích dòng điện trong dây dẫn bằng lò xo.
Phát triển Ý tưởng
Trải nghiệm đầu tiên đã thuyết phục Faraday rằng điện trường và từ trường liên kết với nhau. Nhưng nó là cần thiết để tìm ra chính xác như thế nào. Có phải từ trường cũng phát sinh xung quanh một vật dẫn mang dòng điện, hay chúng chỉ đơn giản là có thể ảnh hưởng lẫn nhau? Do đó, nhà khoa học đã đi xa hơn. Anh ta quấn một sợi dây, đưa dòng điện tới nó và đẩy cuộn dây này vào một lò xo khác. Và anh ấy cũng có điện. Kinh nghiệm này đã chứng minh rằng các electron chuyển động không chỉ tạo ra điện mà còn tạo ra từ trường. Sau đó, các nhà khoa học đã tìm ra cách chúng nằm trong không gian so với nhau. Trường điện từ cũng là lý do tại sao cóánh sáng.
Thử nghiệm với các lựa chọn khác nhau về sự tương tác của các dây dẫn trực tiếp, Faraday phát hiện ra rằng dòng điện được truyền tốt nhất nếu cả cuộn thứ nhất và cuộn thứ hai được quấn trên một lõi kim loại chung. Công thức thể hiện định luật cảm ứng điện từ được rút ra trên thiết bị này.
Công thức và các thành phần của nó
Bây giờ lịch sử nghiên cứu về điện đã được đưa vào thí nghiệm Faraday, đã đến lúc viết công thức:
ε=-dΦ / dt.
Giải mã:
ε là suất điện động (viết tắt là EMF). Tùy thuộc vào giá trị của ε, các electron chuyển động mạnh hơn hoặc yếu hơn trong vật dẫn. Công suất của nguồn ảnh hưởng đến EMF và cường độ của trường điện từ ảnh hưởng đến nó.
Φ là độ lớn của từ thông hiện đang đi qua một khu vực nhất định. Faraday cuộn dây dẫn vào một lò xo, vì anh ta cần một khoảng không gian nhất định để dây dẫn đi qua. Tất nhiên, có thể làm một dây dẫn rất dày, nhưng điều đó sẽ rất tốn kém. Nhà khoa học chọn hình tròn vì hình phẳng này có tỷ lệ diện tích trên chiều dài bề mặt lớn nhất. Đây là hình thức tiết kiệm năng lượng nhất. Do đó, các giọt nước trên bề mặt phẳng trở thành hình tròn. Ngoài ra, một lò xo có tiết diện tròn dễ lấy hơn nhiều: bạn chỉ cần quấn dây xung quanh một loại vật thể tròn nào đó.
t là thời gian dòng chảy đi qua vòng lặp.
Tiền tố d trong công thức của định luật cảm ứng điện từ có nghĩa là giá trị là vi phân. I Emột từ thông nhỏ phải được phân biệt trong các khoảng thời gian nhỏ để thu được kết quả cuối cùng. Hành động toán học này đòi hỏi một số sự chuẩn bị từ con người. Để hiểu rõ hơn về công thức, chúng tôi đặc biệt khuyến khích người đọc nhớ lại sự phân biệt và tích hợp.
Hậu quả của quy luật
Ngay sau phát hiện của Faraday, các nhà vật lý đã bắt tay vào nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ. Ví dụ, định luật Lenz được rút ra từ thực nghiệm bởi một nhà khoa học người Nga. Chính quy tắc này đã thêm một dấu trừ vào công thức cuối cùng.
Anh ấy trông như thế này: hướng của dòng điện cảm ứng không phải là ngẫu nhiên; Dòng electron trong cuộn dây thứ hai, như vậy, có xu hướng làm giảm tác dụng của dòng điện trong cuộn dây thứ nhất. Tức là sự xuất hiện của hiện tượng cảm ứng điện từ thực chất là sự cản trở của lò xo thứ hai để can thiệp vào "cuộc sống cá nhân".
Quy tắc của Lenz có một hệ quả khác.
- nếu dòng điện trong cuộn thứ nhất sẽ tăng lên thì dòng điện của lò xo thứ hai cũng sẽ có xu hướng tăng lên;
- nếu dòng điện trong cuộn dây cảm ứng giảm, dòng điện trong cuộn dây thứ hai cũng sẽ giảm.
Theo quy tắc này, một vật dẫn trong đó xuất hiện dòng điện cảm ứng thực sự có xu hướng bù đắp cho tác dụng của từ thông thay đổi.
Hạt và lừa
Sử dụng những cơ chế đơn giản nhất vì lợi ích của chính họ, mọi người đã phấn đấu trong một thời gian dài. Xay bột là công việc khó. Một số bộ lạc xay ngũ cốc bằng tay: đặt lúa mì trên một viên đá, phủ một viên đá tròn và phẳng khác, và xoaycối xay. Nhưng nếu bạn cần xay bột cho cả một ngôi làng, thì bạn không thể làm điều đó chỉ với lao động cơ bắp. Lúc đầu, người ta đoán là buộc một con vật kéo vào cối xay. Con lừa kéo dây - hòn đá xoay tròn. Rồi chắc người ta nghĩ: “Dòng sông chảy mãi, đẩy đủ thứ về hạ lưu. Tại sao chúng ta không sử dụng nó cho tốt? Đây là cách các nhà máy nước xuất hiện.
Bánh xe, nước, gió
Tất nhiên, những kỹ sư đầu tiên xây dựng những công trình này không biết gì về lực hấp dẫn, do đó nước luôn có xu hướng rơi xuống, cũng như về lực ma sát hay sức căng bề mặt. Nhưng họ đã thấy: nếu bạn đặt một bánh xe có lưỡi trên đường kính trong một con suối hoặc sông, thì nó sẽ không chỉ quay mà còn có thể thực hiện công việc hữu ích.
Nhưng ngay cả cơ chế này cũng bị hạn chế: không phải ở đâu cũng có nước chảy với đủ cường độ hiện tại. Vì vậy, mọi người đã tiếp tục. Họ xây dựng các nhà máy chạy bằng sức gió.
Than, dầu mazut, xăng
Khi các nhà khoa học hiểu được nguyên lý kích thích của dòng điện, một nhiệm vụ kỹ thuật đã được đặt ra: thu được nó ở quy mô công nghiệp. Vào thời điểm đó (giữa thế kỷ XIX) thế giới đang lên cơn sốt về máy móc. Họ đã cố gắng giao phó mọi công việc khó khăn cho cặp đang mở rộng.
Nhưng sau đó chỉ có nhiên liệu hóa thạch, than đá và dầu đốt, mới có thể đun nóng một lượng lớn nước. Vì vậy, những khu vực giàu cacbon cổ thụ trên thế giới ngay lập tức thu hút sự chú ý của các nhà đầu tư và người lao động. Và sự phân bố lại con người đã dẫn đến cuộc cách mạng công nghiệp.
Hà Lan vàTexas
Tuy nhiên, tình trạng này đã gây ảnh hưởng xấu đến môi trường. Và các nhà khoa học nghĩ: làm thế nào để có được năng lượng mà không phá hủy thiên nhiên? Giải cứu cũng quên cũ. Máy nghiền sử dụng mô-men xoắn để thực hiện các công việc cơ khí thô trực tiếp. Tua bin của nhà máy thủy điện quay nam châm.
Hiện nay, điện sạch nhất đến từ năng lượng gió. Các kỹ sư chế tạo máy phát điện đầu tiên ở Texas đã rút ra kinh nghiệm về những chiếc cối xay gió ở Hà Lan.
