วันนี้เราจะเปิดเผยปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์เช่น "กฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า" เราจะบอกคุณว่าทำไมฟาราเดย์จึงทำการทดลอง ให้สูตร และอธิบายความสำคัญของปรากฏการณ์ในชีวิตประจำวัน
เทพเจ้าและฟิสิกส์โบราณ
คนโบราณบูชาสิ่งแปลกปลอม และตอนนี้ผู้ชายคนหนึ่งกลัวความลึกของทะเลและระยะห่างของอวกาศ แต่วิทยาศาสตร์สามารถอธิบายได้ว่าทำไม เรือดำน้ำจับภาพชีวิตที่น่าทึ่งของมหาสมุทรที่ความลึกมากกว่าหนึ่งกิโลเมตร กล้องโทรทรรศน์อวกาศศึกษาวัตถุที่มีอยู่เพียงไม่กี่ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง
แต่แล้วผู้คนก็แยกแยะทุกสิ่งที่ทำให้พวกเขาหลงใหลและรบกวนพวกเขา:
- พระอาทิตย์ขึ้น;
- ปลุกต้นไม้ในฤดูใบไม้ผลิ
- ฝน;
- เกิดและตาย
ในทุกวัตถุและปรากฏการณ์อาศัยกองกำลังที่ไม่รู้จักที่ครองโลก จนถึงขณะนี้ เด็ก ๆ มักมีมนุษยธรรมกับเฟอร์นิเจอร์และของเล่น พวกเขาจินตนาการว่าผู้ใหญ่ทิ้งไว้โดยไม่มีใครดูแล: ผ้าห่มจะกอด, อุจจาระจะพอดี, หน้าต่างจะเปิดขึ้นเอง
บางทีวิวัฒนาการขั้นแรกของมนุษยชาติก็คือความสามารถในการรักษาไว้ไฟ. นักมานุษยวิทยาแนะนำว่าไฟแรกสุดถูกจุดจากต้นไม้ที่ถูกฟ้าผ่า
ดังนั้น ไฟฟ้าจึงเข้ามามีบทบาทอย่างมากในชีวิตของมนุษยชาติ ฟ้าผ่าแรกเป็นแรงผลักดันให้เกิดการพัฒนาวัฒนธรรม กฎพื้นฐานของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้านำมนุษยชาติมาสู่สภาวะปัจจุบัน
จากน้ำส้มสายชูสู่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
พบภาชนะเซรามิกแปลก ๆ ในปิรามิดแห่ง Cheops: คอปิดด้วยขี้ผึ้ง กระบอกโลหะซ่อนอยู่ในส่วนลึก พบเศษน้ำส้มสายชูหรือไวน์เปรี้ยวที่ผนังด้านใน นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อสรุปที่น่าประหลาดใจ: สิ่งประดิษฐ์นี้คือแบตเตอรี่ แหล่งกำเนิดไฟฟ้า
แต่จนถึง 1600 ไม่มีใครทำการศึกษาปรากฏการณ์นี้ ก่อนการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ได้มีการสำรวจลักษณะของไฟฟ้าสถิตย์ ชาวกรีกโบราณทราบดีว่าอำพันปล่อยอำพันหากนำไปถูกับขน สีของหินก้อนนี้ทำให้พวกเขานึกถึงแสงของดาว Electra จากกลุ่มดาวลูกไก่ และชื่อของแร่ก็กลายเป็นเหตุผลที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์ทางกายภาพ
แหล่ง DC ดั้งเดิมแห่งแรกสร้างขึ้นในปี 1800
แน่นอน ทันทีที่ตัวเก็บประจุทรงพลังเพียงพอปรากฏขึ้น นักวิทยาศาสตร์ก็เริ่มศึกษาคุณสมบัติของตัวนำที่เชื่อมต่ออยู่ ในปี 1820 นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก Hans Christian Oersted ค้นพบว่าเข็มแม่เหล็กเบี่ยงเบนถัดจากตัวนำที่รวมอยู่ในเครือข่าย ข้อเท็จจริงนี้เป็นแรงผลักดันให้เกิดการค้นพบกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าโดยฟาราเดย์ (สูตรจะได้รับด้านล่าง) ซึ่งอนุญาตให้มนุษย์แยกออกไฟฟ้าจากน้ำ ลม และเชื้อเพลิงนิวเคลียร์
ดั้งเดิมแต่ทันสมัย
พื้นฐานทางกายภาพของการทดลองของ Max Faraday ถูกวางโดย Oersted หากตัวนำที่เปลี่ยนแล้วส่งผลต่อแม่เหล็ก สิ่งที่ตรงกันข้ามก็เป็นจริงเช่นกัน: ตัวนำที่เป็นแม่เหล็กจะต้องเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้า
โครงสร้างของการทดลองที่ช่วยให้ได้กฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (EMF เป็นแนวคิดที่เราจะพิจารณาในภายหลัง) ค่อนข้างง่าย ลวดที่พันในสปริงเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ที่ลงทะเบียนกระแส นักวิทยาศาสตร์นำแม่เหล็กขนาดใหญ่มาที่ขดลวด ขณะที่แม่เหล็กเคลื่อนที่ถัดจากวงจร อุปกรณ์ได้บันทึกการไหลของอิเล็กตรอน
เทคนิคก็พัฒนาขึ้นตั้งแต่นั้นมา แต่หลักการพื้นฐานของการผลิตไฟฟ้าที่สถานีขนาดใหญ่ยังคงเหมือนเดิม: แม่เหล็กเคลื่อนที่จะกระตุ้นกระแสในตัวนำที่พันด้วยสปริง
การพัฒนาความคิด
ประสบการณ์ครั้งแรกทำให้ฟาราเดย์เชื่อว่าสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเชื่อมต่อถึงกัน แต่จำเป็นต้องค้นหาให้แน่ชัดว่าเป็นอย่างไร สนามแม่เหล็กเกิดขึ้นรอบตัวนำไฟฟ้าที่มีกระแสไฟหรือไม่ หรือพวกมันสามารถมีอิทธิพลต่อกันและกันได้หรือไม่? ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงก้าวต่อไป เขาพันลวดเส้นหนึ่ง นำกระแสไปใส่ และผลักขดลวดนี้เข้าไปในอีกสปริงหนึ่ง และเขาก็ได้รับกระแสไฟฟ้าด้วย ประสบการณ์นี้พิสูจน์ให้เห็นว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไม่ได้สร้างแค่ไฟฟ้าแต่ยังสร้างสนามแม่เหล็กด้วย ต่อมานักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าพวกเขาตั้งอยู่ในอวกาศอย่างไรโดยสัมพันธ์กัน สนามแม่เหล็กไฟฟ้าก็เป็นสาเหตุที่ทำให้มีเบา.
ทดลองกับตัวเลือกต่างๆ สำหรับการโต้ตอบของตัวนำที่มีชีวิต ฟาราเดย์พบว่ากระแสจะถูกส่งได้ดีที่สุดหากขดลวดทั้งที่หนึ่งและที่สองถูกพันบนแกนโลหะทั่วไปอันเดียว สูตรที่แสดงกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าได้มาจากอุปกรณ์นี้
สูตรและส่วนประกอบ
ตอนนี้ประวัติการศึกษาไฟฟ้ามาถึงการทดลองของฟาราเดย์แล้ว ก็ถึงเวลาเขียนสูตร:
ε=-dΦ / dt.
ถอดรหัส:
ε คือแรงเคลื่อนไฟฟ้า (เรียกสั้นๆ ว่า EMF) อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่อย่างเข้มข้นหรืออ่อนลงในตัวนำทั้งนี้ขึ้นอยู่กับค่าของε พลังของแหล่งกำเนิดส่งผลต่อ EMF และความแรงของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าก็ส่งผลต่อมัน
Φ คือขนาดของฟลักซ์แม่เหล็กที่เคลื่อนผ่านพื้นที่ที่กำหนด ฟาราเดย์ม้วนลวดเข้าไปในสปริง เพราะเขาต้องการพื้นที่ที่ตัวนำจะผ่านไปได้ แน่นอนว่ามันเป็นไปได้ที่จะสร้างตัวนำที่หนามาก แต่จะมีราคาแพง นักวิทยาศาสตร์เลือกรูปร่างวงกลมเนื่องจากรูปร่างแบนนี้มีอัตราส่วนพื้นที่ต่อความยาวพื้นผิวที่ใหญ่ที่สุด ซึ่งเป็นรูปแบบที่ประหยัดพลังงานที่สุด ดังนั้นหยดน้ำบนพื้นผิวเรียบจะกลายเป็นทรงกลม นอกจากนี้ สปริงที่มีส่วนกลมนั้นง่ายกว่ามาก: คุณเพียงแค่พันลวดรอบวัตถุทรงกลมบางชนิด
t คือเวลาที่ใช้กระแสไหลผ่านวนวน
คำนำหน้า d ในสูตรของกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า หมายความว่า ค่านั้นเป็นค่าดิฟเฟอเรนเชียล เช่นฟลักซ์แม่เหล็กขนาดเล็กจะต้องสร้างความแตกต่างในช่วงเวลาสั้นๆ เพื่อให้ได้ผลลัพธ์สุดท้าย การดำเนินการทางคณิตศาสตร์นี้ต้องมีการเตรียมการจากบุคคล เพื่อให้เข้าใจสูตรมากขึ้น เราขอสนับสนุนให้ผู้อ่านระลึกถึงความแตกต่างและการรวมเข้าด้วยกัน
ผลของกฎหมาย
ทันทีหลังจากการค้นพบของฟาราเดย์ นักฟิสิกส์เริ่มตรวจสอบปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ยกตัวอย่างเช่น กฎของเลนซ์ มาจากการทดลองโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย เป็นกฎนี้ที่เพิ่มเครื่องหมายลบในสูตรสุดท้าย
เขามีลักษณะดังนี้: ทิศทางของกระแสเหนี่ยวนำไม่ได้ตั้งใจ การไหลของอิเล็กตรอนในขดลวดที่สองเช่นเดิมมีแนวโน้มที่จะลดผลกระทบของกระแสในขดลวดแรก กล่าวคือ การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นจริงคือความต้านทานของสปริงที่สองต่อการรบกวนใน "ชีวิตส่วนตัว"
กฎของเลนซ์มีผลอีกอย่าง
- ถ้ากระแสในขดลวดแรกเพิ่มขึ้น กระแสของสปริงที่สองก็จะมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นเช่นกัน
- ถ้ากระแสในขดลวดเหนี่ยวนำลดลง กระแสในขดลวดที่สองก็จะลดลงด้วย
ตามกฎนี้ ตัวนำที่มีกระแสเหนี่ยวนำเกิดขึ้นจริงมักจะชดเชยผลกระทบของฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง
ธัญพืชและลา
ใช้กลไกที่ง่ายที่สุดเพื่อประโยชน์ของตนเอง ผู้คนดิ้นรนมาเป็นเวลานาน การบดแป้งเป็นงานหนัก บางเผ่าบดเมล็ดพืชด้วยมือ: วางข้าวสาลีบนหินก้อนหนึ่ง คลุมด้วยหินกลมและแบนอีกก้อนแล้วหมุนหินโม่ แต่ถ้าคุณต้องการบดแป้งสำหรับทั้งหมู่บ้าน คุณไม่สามารถทำมันได้ด้วยการใช้แรงงานที่มีกล้ามเนื้อเพียงอย่างเดียว ตอนแรกคนเดาว่าจะผูกร่างสัตว์ไว้กับหินโม่ ลาดึงเชือก - หินหมุน เป็นไปได้ที่ผู้คนคิดว่า: “แม่น้ำไหลตลอดเวลา มันดันสิ่งต่าง ๆ ล่องไปตามกระแสน้ำ ทำไมเราไม่ใช้มันให้ดีล่ะ” นี่คือลักษณะที่ปรากฏของโรงสีน้ำ
ล้อ น้ำ ลม
แน่นอน วิศวกรคนแรกๆ ที่สร้างโครงสร้างเหล่านี้ไม่รู้อะไรเลยเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง เนื่องจากน้ำมักจะตกลงมาเสมอ หรือเกี่ยวกับแรงเสียดทานหรือแรงตึงผิว แต่พวกเขาเห็น: หากคุณใส่ล้อที่มีใบมีดบนเส้นผ่าศูนย์กลางในลำธารหรือแม่น้ำ มันจะไม่เพียงหมุนเท่านั้น แต่ยังสามารถทำงานได้อย่างมีประโยชน์
แต่กลไกนี้ก็มีจำกัด: ไม่ใช่ทุกที่ที่มีกระแสน้ำไหลแรงเพียงพอ ผู้คนจึงเดินต่อไป พวกเขาสร้างโรงสีที่ขับเคลื่อนด้วยลม
ถ่านหิน น้ำมันเชื้อเพลิง เบนซิน
เมื่อนักวิทยาศาสตร์เข้าใจหลักการของการกระตุ้นไฟฟ้า จึงมีการกำหนดงานด้านเทคนิค: เพื่อให้ได้มาในระดับอุตสาหกรรม ในเวลานั้น (กลางศตวรรษที่สิบเก้า) โลกกำลังอยู่ในเครื่องจักร พวกเขาพยายามมอบงานยากทั้งหมดให้กับคู่ที่กำลังขยายตัว
แต่แล้วเฉพาะเชื้อเพลิงฟอสซิล ถ่านหิน และน้ำมันเชื้อเพลิงเท่านั้นที่สามารถให้ความร้อนกับน้ำปริมาณมากได้ ดังนั้นภูมิภาคเหล่านั้นของโลกที่อุดมไปด้วยคาร์บอนโบราณจึงดึงดูดความสนใจของนักลงทุนและคนงานในทันที และการกระจายตัวของผู้คนนำไปสู่การปฏิวัติอุตสาหกรรม
ฮอลแลนด์และเท็กซัส
อย่างไรก็ตาม สถานการณ์นี้ส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อม และนักวิทยาศาสตร์คิดว่า: จะได้รับพลังงานโดยไม่ทำลายธรรมชาติได้อย่างไร? ได้รับการช่วยเหลืออย่างดีลืมเก่า โรงสีใช้แรงบิดเพื่อทำงานทางกลที่หยาบโดยตรง กังหันของโรงไฟฟ้าพลังน้ำหมุนแม่เหล็ก
ปัจจุบันไฟฟ้าที่สะอาดที่สุดมาจากพลังงานลม วิศวกรที่สร้างเครื่องปั่นไฟเครื่องแรกในเท็กซัสได้รับประสบการณ์เกี่ยวกับกังหันลมในฮอลแลนด์