Hôm nay chúng ta sẽ nói về kinh nghiệm của Faraday, một nhà vật lý người Anh, và tầm quan trọng của hiện tượng cảm ứng điện từ trong thế giới hiện đại.
Mặt trời, tia chớp, núi lửa
Người xưa tôn thờ cái khó hiểu. Chúng ta đang nói về thời mà phát minh tiên tiến nhất là khả năng kết hợp một cây gậy và một viên đá thành một công cụ đơn giản. Không có lời giải thích nào cho quá trình hoạt động hàng ngày của Mặt trời, các giai đoạn của Mặt trăng, núi lửa, sự xuất hiện của sét và sấm sét.
Với giông bão, nhân loại có một cuốn tiểu thuyết riêng. Lửa xua tan bóng tối, cho cảm giác an toàn, khơi nguồn cảm hứng khám phá. Và các nhà khoa học cho rằng ngọn lửa có kiểm soát đầu tiên được tạo ra từ gỗ bốc cháy do sét đánh.
Búa và Nam châm
Một thời gian sau, người ta học cách sử dụng nhiệt để nấu chảy kim loại. Những công cụ mạnh mẽ đầu tiên xuất hiện đã giúp chinh phục thiên nhiên xung quanh. Đi hoàn toàn bằng thử nghiệm, các bậc thầy khác nhau có thể tình cờ gặp những sự cố bất thường và kỳ lạ. Ví dụ, một miếng sắt có thể đột ngột chuyển động khi có một miếng sắt khác (từ tính). Vào thế kỷ 19, những hiện tượng này đã được giải thích bằng các thí nghiệm của Faraday (cảm ứng điện từ theo nghĩa hiện đại đã phát sinh một cách chính xác sau đó).
Khoa học vàcác vị vua
Dòng điện đã được biết đến từ rất lâu. Họ đã biết cách phân biệt sắt với thủy tinh bằng đặc tính dẫn điện vào thời của Michelangelo. Nhưng cho đến đầu thế kỷ XIX, hiện tượng này chỉ được coi là một hiện tượng hài hước. Ngoài ra, các nhà khoa học luôn được bảo trợ bởi một nhà từ thiện giàu có - một bá tước, công tước hoặc vua. Và số tiền đầu tư, như bạn biết, lẽ ra phải được đền đáp. Vì vậy, các nhà vật lý và hóa học cần phải làm việc theo cách để sức mạnh quân sự của nhà quý tộc tăng lên, ông ta nhận được nhiều lợi nhuận hơn hoặc tận hưởng một cảnh tượng tươi sáng.
Một số thí nghiệm đã được cho khách xem như một dấu hiệu cho thấy quyền lực của người sở hữu đồng tiền. Galileo đã đặt tên cho các mặt trăng của sao Mộc mà ông phát hiện ra để vinh danh người bảo trợ của mình, Medici. Vì vậy, nó đã được với điện. Các thí nghiệm của Faraday đã xác nhận hiện tượng cảm ứng điện từ bằng thực nghiệm. Nhưng trước anh ấy, đã có những nghiên cứu của Oersted.
Điện hay từ tính?
Nam châm (bộ phận chính của la bàn) được sử dụng bởi các thủy thủ đã khám phá ra châu Mỹ, châu Úc và con đường đến Ấn Độ. Điện là niềm vui thú vị. Năm 1820, nhà khoa học Đan Mạch Hans Christian Oersted đã chứng minh mối liên hệ giữa các tính chất từ và điện của vật dẫn điện. Thí nghiệm của ông là tiền thân của thí nghiệm Faraday, hiện tượng cảm ứng điện từ và mọi thứ tiếp theo sau những khám phá của những năm đó.
Vì vậy, Oersted đã lấy một dây dẫn tuyến tính (dây dày) và đặt một kim từ tính bên dưới nó. Khi nhà khoa học bắt đầu cho dòng điện, các cực của nam châm dịch chuyển: mũi tên đứng vuông góc với dây dẫn. Nhà vật lý lặp lại thí nghiệm nhiều lần,đã thay đổi dạng hình học của thí nghiệm và chiều dòng điện trong vật dẫn. Kết quả là như nhau: vị trí của các cực của kim từ trường luôn giống nhau đối với vectơ chuyển động của các electron. Bây giờ kinh nghiệm này có vẻ rất đơn giản và dễ hiểu. Nhưng khám phá này có hậu quả sâu rộng: Oersted đã chứng minh mối quan hệ trực tiếp giữa điện trường và từ trường.
Mối quan hệ tài sản
Nhưng nếu dòng điện có thể ảnh hưởng đến nam châm, thì nam châm có thể làm cho các electron chuyển động không? Đây là những gì Faraday đã cố gắng chứng minh bằng thử nghiệm, mô tả về cái mà bây giờ chúng tôi sẽ đưa ra.
Nhà khoa học quấn dây điện thành hình xoắn ốc (cuộn dây), kết nối thiết bị phát hiện dòng điện với nó và đưa một nam châm đến cấu trúc. Kim đồng hồ nhấp nháy. Kinh nghiệm hóa ra đã thành công. Trong tương lai, Michael Faraday đã áp dụng nhiều cách tiếp cận khác nhau và phát hiện ra: nếu thay vì một nam châm, chúng ta lấy một cuộn dây và kích thích dòng điện trong đó, thì dòng điện cũng sẽ xuất hiện trong cuộn dây liền kề. Sự tương tác thậm chí còn hiệu quả hơn khi một lõi dẫn điện được đưa vào bên trong vòng xoắn của cả hai vòng xoắn.
Định luật cảm ứng điện từ
Định luật cảm ứng Faraday đối với mạch kín được biểu thị bằng công thức: ε=-dΦ / dt.
Ở đây ε là suất điện động làm cho các electron chuyển động trong vật dẫn (viết tắt là EMF), Φ là độ lớn của từ thông hiện đang đi qua một khu vực nhất định, và t là thời gian.
Công thức này là vi phân. Điều này có nghĩa là EMF phải được tính toán cho tất cả các khoảng thời gian nhỏ bằng cách sử dụng các phần diện tích nhỏ. NHƯNGđể có được tổng sức điện động, kết quả phải được tính bằng tổng.
Dấu trừ trong công thức là do quy tắc Lenz. Nó có nội dung: Emf cảm ứng được định hướng để dòng điện được cung cấp năng lượng chặn sự thay đổi hướng dòng chảy.
Khá dễ dàng để giải thích quy tắc này bằng một ví dụ: khi dòng điện trong cuộn thứ nhất tăng lên, thì dòng điện trong cuộn thứ hai cũng sẽ tăng; khi dòng điện trong cuộn thứ nhất giảm thì cuộn cảm ứng cũng sẽ yếu đi.
Áp dụng định luật Faraday
Cuộc sống hiện đại là điều không tưởng nếu không có điện. Trong The Day the Earth Stood Still, nhân vật của Keanu Reeves thay đổi tiến trình lịch sử loài người bằng cách tắt máy phát điện. Chúng tôi sẽ không nói về các cơ chế của sự cố này bây giờ. Sách hư cấu cho phép trí tưởng tượng thoải mái, nhưng không mô tả các khả năng. Nhưng hậu quả của một hiện tượng như vậy sẽ thực sự mang tính toàn cầu: từ sự phá hủy cơ sở hạ tầng đô thị đến nạn đói. Con người thực sự sẽ phải xây dựng lại nền văn minh của mình để thích nghi với sự tồn tại không có điện.
Nhiều tác giả khoa học viễn tưởng khai thác cốt truyện về một thảm họa toàn cầu. Ngoài việc cắt điện, các lý do dẫn đến sự thay đổi lớn như vậy là:
- ngoại xâm;
- thí nghiệm vi khuẩn học sai;
- tình cờ khám phá ra quy luật vật lý làm thay đổi cấu trúc của vật chất (ví dụ: băng-9);
- chiến tranh hoặc thảm họa hạt nhân;
- một bước tiến hóa nhảy vọt của con người (nhân loại mới đơn giản là không cần công nghệ).
Tìm kiếm nguồn năng lượng làkhu vực hoạt động riêng của con người. Con người sử dụng năng lượng của tài nguyên hóa thạch, nước, gió, sóng, sức nóng của các vùng nước nhiệt ngầm và nguyên tử để lấy điện. Tất cả các trạm đều hoạt động nhờ vào nguyên lý, sự tồn tại của nó đã được Faraday chứng minh trong các thí nghiệm của mình. Hơn nữa, sơ đồ tạo ra điện không quá khác so với thí nghiệm của anh ấy: một lực nhất định làm quay một nam châm khổng lồ (rôto), và điều đó, đến lượt nó, kích thích dòng điện trong các cuộn dây.
Tất nhiên, mọi người đã tìm thấy một vật liệu tuyệt vời cho lõi, học cách tạo ra các cuộn dây khổng lồ, cách ly các lớp cuộn dây với nhau tốt hơn nhiều. Nhưng nói chung, nền văn minh hiện đại dựa trên kinh nghiệm do Michael Faraday tạo ra vào tháng 8 năm 1831.
