Hoje vamos revelar um fenômeno da física como a "lei da indução eletromagnética". Vamos contar por que Faraday realizou experimentos, dar uma fórmula e explicar a importância do fenômeno para a vida cotidiana.
Deuses antigos e física
Os povos antigos adoravam o desconhecido. E agora um homem tem medo das profundezas do mar e da distância do espaço. Mas a ciência pode explicar o porquê. Submarinos capturam a incrível vida dos oceanos a uma profundidade de mais de um quilômetro, telescópios espaciais estudam objetos que existiam apenas alguns milhões de anos após o big bang.
Mas então as pessoas divinizaram tudo o que as fascinava e perturbava:
- nascer do sol;
- despertar plantas na primavera;
- chuva;
- nascimento e morte.
Em cada objeto e fenômeno viviam forças desconhecidas que governavam o mundo. Até agora, as crianças tendem a humanizar móveis e brinquedos. Deixados sozinhos pelos adultos, eles fantasiam: um cobertor vai abraçar, um banquinho vai caber, a janela vai abrir sozinha.
Talvez o primeiro passo evolutivo da humanidade tenha sido a capacidade de mantero fogo. Os antropólogos sugerem que os primeiros incêndios foram acesos a partir de uma árvore atingida por um raio.
Assim, a eletricidade tem desempenhado um grande papel na vida da humanidade. O primeiro raio deu impulso ao desenvolvimento da cultura, a lei básica da indução eletromagnética trouxe a humanidade ao estado atual.
Do vinagre ao reator nuclear
Estranhos vasos de cerâmica foram encontrados na pirâmide de Quéops: o gargalo é selado com cera, um cilindro de metal está escondido nas profundezas. Restos de vinagre ou vinho azedo foram encontrados no interior das paredes. Os cientistas chegaram a uma conclusão sensacional: este artefato é uma bateria, uma fonte de eletricidade.
Mas até 1600 ninguém se empenhou em estudar este fenômeno. Antes de mover os elétrons, a natureza da eletricidade estática foi explorada. Os antigos gregos sabiam que o âmbar dá descargas se for esfregado contra a pele. A cor desta pedra os lembrou da luz da estrela Electra das Plêiades. E o nome do mineral tornou-se, por sua vez, o motivo de batizar o fenômeno físico.
A primeira fonte DC primitiva foi construída em 1800
Claro, assim que um capacitor suficientemente poderoso apareceu, os cientistas começaram a estudar as propriedades do condutor conectado a ele. Em 1820, o cientista dinamarquês Hans Christian Oersted descobriu que uma agulha magnética se desviava ao lado de um condutor incluído na rede. Este fato impulsionou a descoberta da lei da indução eletromagnética por Faraday (a fórmula será dada a seguir), que permitiu à humanidade extraireletricidade a partir de água, vento e combustível nuclear.
Primitivo mas moderno
A base física dos experimentos de Max Faraday foi estabelecida por Oersted. Se um condutor comutado afeta um ímã, o oposto também é verdadeiro: um condutor magnetizado deve induzir uma corrente.
A estrutura do experimento que ajudou a derivar a lei da indução eletromagnética (CEM como um conceito que consideraremos um pouco mais tarde) era bastante simples. Um fio enrolado em uma mola é conectado a um dispositivo que registra a corrente. O cientista trouxe um grande ímã para as bobinas. Enquanto o ímã se movia próximo ao circuito, o dispositivo registrava o fluxo de elétrons.
A técnica melhorou desde então, mas o princípio básico de criar eletricidade em grandes estações ainda é o mesmo: um ímã em movimento excita uma corrente em um condutor enrolado por uma mola.
Desenvolvimento de Ideias
A primeira experiência convenceu Faraday de que os campos elétricos e magnéticos estão interconectados. Mas era necessário descobrir exatamente como. Um campo magnético também surge em torno de um condutor de corrente, ou eles são simplesmente capazes de influenciar um ao outro? Portanto, o cientista foi mais longe. Ele enrolou um fio, trouxe corrente para ele e empurrou essa bobina em outra mola. E ele também tem eletricidade. Essa experiência provou que os elétrons em movimento criam não apenas um campo elétrico, mas também magnético. Mais tarde, os cientistas descobriram como eles estão localizados no espaço um em relação ao outro. O campo eletromagnético é também a razão pela qual existeluz.
Experimentando diferentes opções para a interação de condutores ativos, Faraday descobriu que a corrente é melhor transmitida se a primeira e a segunda bobina forem enroladas em um núcleo de metal comum. A fórmula que expressa a lei da indução eletromagnética foi derivada neste dispositivo.
A fórmula e seus componentes
Agora que a história do estudo da eletricidade foi trazida para o experimento de Faraday, é hora de escrever a fórmula:
ε=-dΦ / dt.
Decifrar:
ε é a força eletromotriz (EMF para abreviar). Dependendo do valor de ε, os elétrons se movem de forma mais intensa ou mais fraca no condutor. A potência da fonte afeta o EMF, e a força do campo eletromagnético o afeta.
Φ é a magnitude do fluxo magnético que está passando atualmente por uma determinada área. Faraday enrolou o fio em uma mola, porque precisava de um certo espaço por onde o condutor passaria. Claro, seria possível fazer um condutor muito grosso, mas isso seria caro. O cientista escolheu a forma do círculo porque essa figura plana tem a maior proporção de área para comprimento da superfície. Esta é a forma mais eficiente de energia. Portanto, as gotas de água em uma superfície plana tornam-se redondas. Além disso, uma mola com uma seção redonda é muito mais fácil de obter: você só precisa enrolar o fio em torno de algum tipo de objeto redondo.
t é o tempo que o fluxo levou para passar pelo loop.
O prefixo d na fórmula da lei da indução eletromagnética significa que o valor é diferencial. Ou sejaum pequeno fluxo magnético deve ser diferenciado em pequenos intervalos de tempo para obter o resultado final. Esta ação matemática requer alguma preparação das pessoas. Para entender melhor a fórmula, recomendamos que o leitor se lembre da diferenciação e integração.
Consequências da lei
Imediatamente após a descoberta de Faraday, os físicos começaram a investigar o fenômeno da indução eletromagnética. A lei de Lenz, por exemplo, foi derivada experimentalmente por um cientista russo. Foi esta regra que adicionou um sinal de menos à fórmula final.
Ele se parece com isso: o sentido da corrente de indução não é acidental; o fluxo de elétrons no segundo enrolamento, por assim dizer, tende a reduzir o efeito da corrente no primeiro enrolamento. Ou seja, a ocorrência de indução eletromagnética é na verdade a resistência da segunda mola à interferência na "vida pessoal".
A regra de Lenz tem outra consequência.
- se a corrente na primeira bobina aumentar, então a corrente da segunda mola também tenderá a aumentar;
- se a corrente no enrolamento indutor cair, a corrente no segundo enrolamento também diminuirá.
De acordo com esta regra, um condutor no qual ocorre uma corrente induzida na verdade tende a compensar o efeito de um fluxo magnético variável.
Grão e burro
Use os mecanismos mais simples para seu próprio benefício, as pessoas têm se esforçado por muito tempo. Moer farinha é um trabalho árduo. Algumas tribos moem grãos à mão: coloque o trigo em uma pedra, cubra com outra pedra plana e redonda e enrolemó. Mas se você precisar moer farinha para uma aldeia inteira, não poderá fazê-lo apenas com trabalho muscular. A princípio, as pessoas imaginavam amarrar um animal de tração à mó. O burro puxou a corda - a pedra girou. Então, provavelmente, as pessoas pensaram: “O rio corre o tempo todo, empurra todo tipo de coisa rio abaixo. Por que não o usamos para o bem? Assim surgiram os moinhos de água.
Roda, água, vento
Claro, os primeiros engenheiros que construíram essas estruturas não sabiam nada sobre a força da gravidade, devido à qual a água sempre tende a cair, nem sobre a força de atrito ou tensão superficial. Mas eles viram: se você colocar uma roda com lâminas em um diâmetro em um córrego ou rio, ela não apenas girará, mas também poderá fazer um trabalho útil.
Mas mesmo esse mecanismo era limitado: nem em todos os lugares há água corrente com força de corrente suficiente. Então as pessoas seguiram em frente. Eles construíram moinhos movidos pelo vento.
Carvão, óleo combustível, gasolina
Quando os cientistas compreenderam o princípio da excitação da eletricidade, uma tarefa técnica foi definida: obtê-la em escala industrial. Naquela época (meados do século XIX) o mundo estava em uma febre de máquinas. Eles tentaram confiar todo o trabalho difícil ao par em expansão.
Mas então apenas os combustíveis fósseis, carvão e óleo combustível, eram capazes de aquecer grandes volumes de água. Portanto, as regiões do mundo ricas em carbonos antigos atraíram imediatamente a atenção de investidores e trabalhadores. E a redistribuição de pessoas levou à revolução industrial.
Holanda eTexas
No entanto, este estado de coisas teve um efeito negativo sobre o meio ambiente. E os cientistas pensaram: como obter energia sem destruir a natureza? Resgatado bem esquecido velho. O moinho usava o torque para fazer o trabalho mecânico diretamente áspero. Turbinas de usinas hidrelétricas giram ímãs.
Atualmente, a eletricidade mais limpa vem da energia eólica. Os engenheiros que construíram os primeiros geradores no Texas basearam-se na experiência dos moinhos de vento na Holanda.
