Сегодня мы расскажем об опыте Фарадея, английского физика, и о важности электромагнитной индукции в современном мире.
Солнце, молния, вулкан
Древние люди поклонялись непонятному. Мы говорим о временах, когда самым продвинутым изобретением было умение соединить палку и камень в простейший инструмент. Объяснения не было дневному ходу Солнца, фазам Луны, вулканам, возникновению молний и грома.
С грозами у человечества отдельный роман. Огонь рассеивал мрак, дарил чувство безопасности, вдохновлял открытия. И ученые предполагают, что первый управляемый костер был создан из дерева, подожженного молнией.
Молот и магнит
Чуть позже люди научились использовать тепло, чтобы плавить металл. Появились первые крепкие орудия, которые помогали покорять окружающую природу. Идя исключительно экспериментальным путем, разные мастера наверняка натыкались на необычные и странные происшествия. Например, один кусок железа мог внезапно начать двигаться в присутствии другого (магнетизм). В девятнадцатом веке эти явления пояснили опыты Фарадея (электромагнитная индукция в современном понимании возникла именно тогда).
Наука и короли
Электрический ток известен давно. Отличать железо от стекла по свойству проводить электроны умели во времена Микеланджело. Но до начала девятнадцатого века это явление рассматривалось исключительно как забавный феномен. Кроме того, ученых всегда спонсировал богатый меценат – граф, герцог или король. А вложенные деньги, как известно, должны были окупаться. Так что физикам и химикам требовалось работать так, чтобы усиливалась военная мощь дворянина, он получал большую прибыль или испытывал удовольствие от яркого зрелища.
Некоторые эксперименты демонстрировались гостям как признак могущества обладателя денег. Галилей назвал открытые им спутники Юпитера в честь своего покровителя Медичи. Так было и с электричеством. Опыты Фарадея электромагнитную индукцию подтвердили экспериментально. Но до него были исследования Эрстеда.
Электрическое или магнитное?
Магнитом (главная часть компаса) пользовались моряки, которые открыли Америки, Австралию и путь в Индию. Электричество было интересной забавой. В 1820 году датский ученый Ханс Кристиан Эрстед доказал связь магнитных и электрических свойств проводников. Его эксперимент был предшественником опыта Фарадея, явления электромагнитной индукции и всего того, что следовало из открытий тех лет.
Итак, Эрстед взял линейный проводник (толстую проволоку) и поместил под ним магнитную стрелку. Когда ученый пустил ток, полюса магнита сместились: стрелка встала перпендикулярно проводнику. Физик повторял опыт много раз, менял геометрию эксперимента и направление тока в проводнике. Результат был одинаков: расположение полюсов магнитной стрелки всегда было одним и тем же по отношению к вектору движения электронов. Сейчас этот опыт кажется очень простым и понятным. Но открытие имело далеко идущие последствия: Эрстед доказал прямую связь электрического и магнитного полей.
Взаимосвязь свойств
Но раз электрический ток был способен влиять на магнит, значит, магнит мог вызывать движение электронов? Именно это старался доказать Фарадей опытом, описание которого мы сейчас приведем.
Ученый смотал проволоку в спираль (катушку), подключил к ней регистрирующий ток прибор и поднес к конструкции магнит. Стрелка измерителя дрогнула. Опыт оказался успешным. В дальнейшем Майкл Фарадей применял разнообразные подходы и выяснил: если вместо магнита взять одну катушку и возбудить в ней ток, то в соседней катушке ток тоже появится. Взаимодействие еще более эффективно, когда внутри витков обеих спиралей вставлен проводящий сердечник.
Закон электромагнитной индукции
Закон индукции Фарадея для замкнутого контура выражается формулой: ε = -dΦ / dt.
Здесь ε – это электродвижущая сила, которая заставляет электроны перемещаться в проводнике (сокращенно ЭДС), Φ – величина магнитного потока, который проходит в данный момент через заданную площадь, а t – время.
Эта формула дифференциальная. Значит, ЭДС следует вычислять для всех малых отрезков времени по небольшим кусочкам площади. А чтобы получить полную электродвижущую силу, результат требуется просуммировать.
Минус в формуле обусловлен правилом Ленца. Оно гласит: ЭДС индукции направлена так, что возбужденный ток блокирует изменение направления потока.
Объяснить это правило на примере довольно легко: при увеличении тока в первой катушке, ток второй также вырастет; при уменьшении тока в первой катушке, индуцированный тоже будет ослабевать.
Применение закона Фарадея
Современную жизнь невозможно представить без электричества. В фильме «День, когда Земля остановилась» герой Киану Ривза изменяет ход истории человечества, всего лишь выключив генераторы. О механизмах этого происшествия сейчас говорить не будем. Фантастика дает волю воображению, но не описывает возможности. Но последствия такого явления были бы поистине глобальными: от разрушения инфраструктуры городов до голода. Людям пришлось бы фактически перестраивать цивилизацию, чтобы приспособиться к существованию без электричества.
Многие авторы фантастики эксплуатируют сюжет глобально катастрофы. Помимо отключения электричества, причинами столь серьезных изменений становятся:
- иноземное вторжение;
- неправильно проведенный бактериологический эксперимент;
- случайное открытие физического закона, который изменяет структуру материи (например, лед-9);
- ядерная война или катастрофа;
- эволюционный скачок людей (новому человечеству просто не нужна техника).
Поиск источников энергии – это отдельная область человеческой деятельности. Люди используют энергию ископаемых ресурсов, воды, ветра, волн, тепла подземных термальных вод и атома, чтобы получить электричество. Все станции работают благодаря принципу, существование которого доказал Фарадей в своих опытах. Мало того, схема получения электричества не слишком отличается от его эксперимента: некая сила вращает огромный магнит (ротор), а тот, в свою очередь, возбуждает ток в катушках.
Конечно, люди нашли отличный материал для сердечников, научились изготавливать огромные бобины, гораздо лучше изолируют слои обмотки друг от друга. Но в целом современная цивилизация стоит на опыте, произведенном Майклом Фарадеем в августе 1831 года.
