سنكشف اليوم عن ظاهرة فيزيائية مثل "قانون الحث الكهرومغناطيسي". سنخبرك لماذا أجرى فاراداي التجارب ونقدم صيغة ونوضح أهمية هذه الظاهرة في الحياة اليومية.
الآلهة والفيزياء القديمة
القدماء يعبدون المجهول. والان يخاف الانسان من اعماق البحر ومسافة الفضاء. لكن العلم يمكن أن يفسر السبب. تلتقط الغواصات الحياة المذهلة للمحيطات على عمق يزيد عن كيلومتر واحد ، وتدرس التلسكوبات الفضائية الأشياء التي كانت موجودة بعد بضعة ملايين من السنين فقط بعد الانفجار العظيم.
لكن بعد ذلك كان الناس يؤلهون كل ما أذهلهم و أزعجهم:
- شروق الشمس ؛
- إيقاظ النباتات في الربيع ؛
- مطر ؛
- ولادة و موت
في كل كائن وظاهرة عاشت قوى مجهولة حكمت العالم. حتى الآن ، يميل الأطفال إلى إضفاء الطابع الإنساني على الأثاث والألعاب. إذا تركهم الكبار دون رقابة ، فإنهم يتخيلون: بطانية ستحتضن ، والبراز مناسب ، والنافذة ستفتح من تلقاء نفسها.
ربما كانت الخطوة التطورية الأولى للبشرية هي القدرة على الحفاظالنار. يقترح علماء الأنثروبولوجيا أن الحرائق الأولى اندلعت من شجرة ضربها البرق.
وهكذا لعبت الكهرباء دورًا كبيرًا في حياة البشرية. أعطى البرق الأول الزخم لتطور الثقافة ، وقد جلب القانون الأساسي للحث الكهرومغناطيسي البشرية إلى الحالة الحالية.
من الخل إلى مفاعل نووي
تم العثور على أواني خزفية غريبة في هرم خوفو: العنق محكم بالشمع ، اسطوانة معدنية مخبأة في الأعماق. تم العثور على بقايا الخل أو النبيذ الحامض داخل الجدران. توصل العلماء إلى نتيجة مثيرة: هذه القطعة عبارة عن بطارية ، مصدر للكهرباء.
لكن حتى عام 1600 لم يتعهد أحد بدراسة هذه الظاهرة. قبل تحريك الإلكترونات ، تم استكشاف طبيعة الكهرباء الساكنة. عرف الإغريق القدماء أن الكهرمان يعطي إفرازات إذا تم فركه بالفراء. ذكّرهم لون هذا الحجر بنور النجم إلكترا من الثريا. وأصبح اسم المعدن بدوره سبب تعميد الظاهرة الفيزيائية.
تم بناء أول مصدر بدائي للتيار المستمر في عام 1800
بالطبع ، بمجرد ظهور مكثف قوي بدرجة كافية ، بدأ العلماء في دراسة خصائص الموصل المتصل به. في عام 1820 ، اكتشف العالم الدنماركي هانز كريستيان أورستد أن إبرة مغناطيسية تنحرف بجانب موصل مدرج في الشبكة. أعطت هذه الحقيقة دفعة لاكتشاف قانون الحث الكهرومغناطيسي بواسطة فاراداي (سيتم تقديم الصيغة أدناه) ، والذي سمح للبشرية باستخراجالكهرباء من الماء والرياح والوقود النووي
بدائي لكن حديث
تم وضع الأساس المادي لتجارب ماكس فاراداي من قبل أورستد. إذا كان موصل بتبديل يؤثر على مغناطيس ، فإن العكس هو الصحيح أيضًا: يجب أن يحفز الموصل الممغنط تيارًا.
كانت بنية التجربة التي ساعدت في اشتقاق قانون الحث الكهرومغناطيسي (EMF كمفهوم سننظر فيه بعد قليل) بسيطة للغاية. سلك ملفوف في زنبرك متصل بجهاز يسجل التيار. أحضر العالم مغناطيسًا كبيرًا إلى الملفات. أثناء تحرك المغناطيس بجوار الدائرة ، سجل الجهاز تدفق الإلكترونات.
لقد تحسنت التقنية منذ ذلك الحين ، لكن المبدأ الأساسي لتوليد الكهرباء في المحطات الضخمة لا يزال كما هو: مغناطيس متحرك يثير تيارًا في موصل جرح بواسطة زنبرك.
تطوير الفكرة
أقنعت التجربة الأولى فاراداي أن المجالين الكهربائي والمغناطيسي مترابطان. لكن كان من الضروري معرفة كيف بالضبط. هل ينشأ مجال مغناطيسي أيضًا حول موصل يحمل تيارًا ، أم أنهما قادران ببساطة على التأثير على بعضهما البعض؟ لذلك ، ذهب العالم إلى أبعد من ذلك. جرح سلكًا ، وجلب التيار إليه ، ودفع هذا الملف إلى زنبرك آخر. كما حصل على الكهرباء. أثبتت هذه التجربة أن الإلكترونات المتحركة تخلق ليس فقط مجالًا كهربائيًا ولكن أيضًا مجالًا مغناطيسيًا. لاحقًا ، اكتشف العلماء كيفية تواجدهم في الفضاء بالنسبة لبعضهم البعض. المجال الكهرومغناطيسي هو أيضًا سبب وجودهضوء
بتجربة خيارات مختلفة لتفاعل الموصلات الحية ، اكتشف فاراداي أن التيار ينتقل بشكل أفضل إذا تم جرح الملفين الأول والثاني على قلب معدني واحد مشترك. الصيغة التي تعبر عن قانون الحث الكهرومغناطيسي مشتقة من هذا الجهاز.
الصيغة ومكوناتها
الآن بعد أن تم تقديم تاريخ دراسة الكهرباء إلى تجربة فاراداي ، حان الوقت لكتابة الصيغة:
ε=-dΦ / دينارا.
فك:
ε هي القوة الدافعة الكهربائية (اختصار EMF). اعتمادًا على قيمة ε ، تتحرك الإلكترونات بشكل أكثر كثافة أو أضعف في الموصل. تؤثر قوة المصدر على المجالات الكهرومغناطيسية ، وتؤثر عليها قوة المجال الكهرومغناطيسي.
Φ هو مقدار التدفق المغناطيسي الذي يمر حاليًا عبر منطقة معينة. لف فاراداي السلك في زنبرك ، لأنه كان بحاجة إلى مساحة معينة يمر خلالها الموصل. بالطبع ، سيكون من الممكن صنع موصل سميك للغاية ، لكن هذا سيكون مكلفًا. اختار العالم شكل الدائرة لأن هذا الشكل المسطح يحتوي على أكبر نسبة من المساحة إلى طول السطح. هذا هو الشكل الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة. لذلك ، تصبح قطرات الماء على سطح مستوٍ مستديرة. بالإضافة إلى ذلك ، من الأسهل الحصول على زنبرك ذي قسم دائري: تحتاج فقط إلى لف السلك حول نوع من الأشياء المستديرة.
t هو الوقت الذي يستغرقه التدفق للمرور عبر الحلقة.
تعني البادئة d في صيغة قانون الحث الكهرومغناطيسي أن القيمة تفاضلية. أييجب التمييز بين تدفق مغناطيسي صغير على فترات زمنية صغيرة من أجل الحصول على النتيجة النهائية. يتطلب هذا الإجراء الرياضي بعض التحضير من الناس. لفهم الصيغة بشكل أفضل ، نشجع القارئ بشدة على تذكر التفاضل والتكامل.
نتائج القانون
مباشرة بعد اكتشاف فاراداي ، بدأ الفيزيائيون في التحقيق في ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. قانون لينز ، على سبيل المثال ، مشتق تجريبيا من قبل عالم روسي. كانت هذه القاعدة هي التي أضافت ناقصًا إلى الصيغة النهائية.
يبدو هكذا: اتجاه تيار الحث ليس عرضيًا ؛ إن تدفق الإلكترونات في الملف الثاني ، كما كان ، يميل إلى تقليل تأثير التيار في اللف الأول. بمعنى أن حدوث الحث الكهرومغناطيسي هو في الواقع مقاومة الربيع الثاني للتدخل في "الحياة الشخصية".
حكم لينز له نتيجة أخرى.
- إذا زاد التيار في الملف الأول ، فإن تيار الربيع الثاني سيميل أيضًا إلى الزيادة ؛
- إذا كان التيار في قطرات اللف المحرضة ، فإن التيار في الملف الثاني سينخفض أيضًا.
وفقًا لهذه القاعدة ، فإن الموصل الذي يحدث فيه تيار مستحث يميل في الواقع إلى التعويض عن تأثير التدفق المغناطيسي المتغير.
حبوب و حمار
استخدم أبسط الآليات لمصلحتهم الخاصة ، لقد سعى الناس منذ فترة طويلة. طحن الدقيق عمل شاق. تقوم بعض القبائل بطحن الحبوب يدويًا: ضع القمح على حجر ، وقم بتغطيته بحجر آخر مستدير ومستدير ، ثم قم بلفحجر الرحى. ولكن إذا كنت بحاجة إلى طحن الدقيق لقرية بأكملها ، فلا يمكنك القيام بذلك من خلال العمل العضلي وحده. في البداية ، خمن الناس ربط حيوان الجر بحجر الرحى. سحب الحمار الحبل - استدار الحجر. ثم ، على الأرجح ، اعتقد الناس: "يتدفق النهر طوال الوقت ، ويدفع جميع أنواع الأشياء في اتجاه مجرى النهر. لماذا لا نستخدمها للخير؟ " هكذا ظهرت طواحين المياه.
عجلة ، ماء ، رياح
بالطبع ، لم يعرف المهندسون الأوائل الذين قاموا ببناء هذه الهياكل شيئًا عن قوة الجاذبية ، والتي بسببها يميل الماء دائمًا إلى السقوط ، ولا عن قوة الاحتكاك أو التوتر السطحي. لكنهم رأوا: إذا وضعت عجلة ذات شفرات على قطر في مجرى أو نهر ، فلن تدور فقط ، بل ستتمكن أيضًا من القيام بعمل مفيد.
لكن حتى هذه الآلية كانت محدودة: لا توجد مياه جارية في كل مكان بقوة تيار كافية. لذلك انتقل الناس. بنوا طواحين تعمل بالرياح
فحم ، زيت وقود ، بنزين
عندما فهم العلماء مبدأ إثارة الكهرباء ، تم تحديد مهمة فنية: الحصول عليها على نطاق صناعي. في ذلك الوقت (منتصف القرن التاسع عشر) كان العالم في حمى الآلات. حاولوا أن يعهدوا بكل الأعمال الصعبة إلى الزوج المتوسع.
لكن بعد ذلك فقط الوقود الأحفوري والفحم وزيت الوقود ، كان قادرًا على تسخين كميات كبيرة من الماء. لذلك ، جذبت تلك المناطق من العالم التي كانت غنية بالكربون القديم انتباه المستثمرين والعمال على الفور. وأدت إعادة توزيع الناس إلى ثورة صناعية
هولندا وتكساس
ومع ذلك ، كان لهذا الوضع تأثير سيء على البيئة. وفكر العلماء: كيف نحصل على الطاقة دون تدمير الطبيعة؟ انقاذها منسية جيدا القديمة. استخدمت الطاحونة عزم الدوران للقيام بعمل ميكانيكي تقريبي مباشر. تقوم توربينات محطات الطاقة الكهرومائية بتدوير المغناطيس.
حاليًا ، أنظف كهرباء تأتي من طاقة الرياح. اعتمد المهندسون الذين قاموا ببناء المولدات الأولى في تكساس على تجربة طواحين الهواء في هولندا.
