Сьогодні ми розкриємо такий феномен фізики, як «закон електромагнітної індукції». Розповімо, чому Фарадей провів досліди, наведемо формулу та пояснити важливість явища для повсякденного життя.

Древні боги і фізика

Стародавні люди поклонялися невідомому. І зараз людину лякає безодня моря і даль космосу. Але наука може пояснити, чому. Субмарини знімають неймовірну життя океанів на глибині понад кілометр, космічні телескопи вивчають об'єкти, які існували лише через лічені мільйони років після великого вибуху.


Але тоді люди обожнювали всі, що їх заворожувало і тривожило:

схід сонця;

пробудження рослин навесні;

дощ;

народження і смерть.

В кожному предметі і явище жили невідомі сили, які керували світом. Досі діти схильні олюднювати меблі та іграшки. Залишаючись без нагляду дорослих, вони фантазують: ковдра обійме, табуретка підійде, вікно відкриється саме по собі. Мабуть, першим еволюційним кроком людства стало вміння підтримувати вогонь. Антропологи припускають, що найбільш ранні багаття запалилися від дерева, в яке вдарила блискавка. Таким чином, електрика зіграло в житті людства величезну роль. Перша блискавка дала поштовх до розвитку культури, основний закон електромагнітної індукції привів людство до сучасного стану.

Від оцту до ядерного реактора

В піраміді Хеопса були знайдені дивні керамічні судини: горлечко запечатано воском, в глибині прихований металевий циліндр. На внутрішній стороні стінок виявили залишки оцту або кислого вина. Вчені прийшли до сенсаційного висновку: цей артефакт – батарейка, джерело електрики.


Але до 1600 року вивчати цей феномен ніхто не брався. До рухомих електронів досліджували природу статичної електрики. Про те, що бурштин дає розряди, якщо його потерти про хутро, знали ще стародавні греки. Колір цього каменю нагадував їм світло зірки Електри з Плеяд. А назва мінералу стало, в свою чергу, приводом охрестити фізичне явище.

Перший примітивний джерело постійного струму був побудований в 1800 році

Природно, як тільки з'явився досить потужний конденсатор, вчені почали вивчати властивості підключеного до нього провідника. У 1820 році датський вчений Ганс Крістіан Ерстед виявив, що магнітна стрілка відхиляється поруч із включеним до мережа провідником. Цей факт дав поштовх до відкриття закону електромагнітної індукції Фарадеєм (формула буде наведена трохи нижче), який дозволив людству видобувати електрику з води, вітру і ядерного палива.

Примітивне, але сучасне

Фізична основа дослідів Макса Фарадея була закладена Эрстедом. Якщо включений провідник впливає на магніт, то вірно і зворотне: намагнічений провідник повинен викликати струм. Структура досвіду, який допоміг вивести закон електромагнітної індукції (ЕРС як поняття ми розглянемо трохи пізніше), була досить проста. Смотанную в пружину дріт підключили до приладу, який реєструє струм. До виткам вчений підніс великий магніт. Поки магніт рухався поруч з контуром, прилад реєстрував потік електронів.
З тих пір техніка вдосконалювалась, але основний принцип створення електрики на величезних станціях поки що той ж: рухомий магніт струм збуджує в змотаному пружиною провіднику.

Розвиток ідеї

Самий перший досвід переконав Фарадея, що електричне і магнітне поля взаємопов'язані. Але потрібно з'ясувати, як саме. Виникає навколо провідника зі струмом ще й магнітне поле, або вони просто здатні впливати один на одного? Тому вчений пішов далі. Він змотав один дріт, підвів до неї струм, і цю котушку вдвинул в іншу пружину. І теж отримав електрика. Цей досвід довів, що рухаються електрони створюють не тільки електричне, але і магнітне поле. Пізніше вчені з'ясували, як вони розташовуються в просторі відносно один одного. Електромагнітне поле – це та причина, по якій існує світ. Експериментуючи з різними варіантами взаємодії провідників під напругою, Фарадей з'ясував: струм передається краще всього, якщо і першу, і другу котушки намотати на один загальний металевий сердечник. Формула, що виражає закон електромагнітної індукції, була виведена саме на цьому приладі.

Формула та її складові

Тепер, коли історія вивчення електрики доведена до експерименту Фарадея, пора написати формулу: ? = -d? /dt. Розшифруємо: ? – це електрорушійна сила (скорочено ЕРС). В залежності від величини ? електрони переміщаються в провіднику інтенсивніше або слабкіше. На ЕРС впливає потужність джерела, а на неї – напруженість електромагнітного поля. ? – величина магнітного потоку, який проходить в даний момент через задану площу. Фарадей звертав дріт в пружину, так як йому потрібен певний простір, крізь який проходив би провідник. Звичайно, можна було б виготовити дуже товстий провідник, але це було б дорого. Форму кола вчений обрав тому, що у цієї плоскої фігури співвідношення площі до довжині поверхні найбільше. Це найбільш енергетично ефективна форма. Тому краплі води на плоскій поверхні стають круглими. До того ж пружину з круглим перетином набагато простіше отримати: достатньо лише намотати дріт на якийсь круглий предмет.
t – час, за який потік пройшов крізь контур. Приставка d у формулі закону електромагнітної індукції означає, що величина диференціальна. Тобто маленький магнітний потік треба продиференціювати по невеликих відрізках часу, щоб отримати кінцевий результат. Це математичне дію вимагає від людей певної підготовленості. Щоб краще зрозуміти формулу, ми настійно рекомендуємо читачеві пригадати диференціювання та інтегрування.

Наслідки із закону

Відразу після відкриття Фарадея фізики стали досліджувати явище електромагнітної індукції. Закон Ленца, наприклад, був виведений експериментально російським вченим. Саме це правило додало мінус в кінцеву формулу. Вигляд у нього такий: напрям індукційного струму не випадково; потік електронів у другій обмотці як би прагне зменшити дію струму в першій обмотці. Тобто виникнення електромагнітної індукції – це фактично опір другої пружини втручання в «особисте життя». Правило Ленца має й інший наслідок.

якщо струм в першій котушці буде зростати, то струм другої пружини теж буде прагнути до збільшення;

якщо струм в индуцирующей обмотці буде падати, то зменшиться і струм у другій.

Згідно з цим правилом, провідник, в якому виникає індукований струм, фактично прагне компенсувати дію мінливого магнітного потоку.

Зерно і осел

Використовувати найпростіші механізми собі на благо люди прагнули давно. Помел борошна – справа складна. Деякі племена розтирають зерно вручну: кладуть пшеницю на один камінь, накривають іншим плоским і круглим каменем, і крутять жорна. Але якщо треба змолоти борошно на ціле село, то одним мускульним працею не обійтися. Спочатку люди здогадалися прив'язати до жорно тяглові тварини. Ослик тягнув за мотузку – камінь обертався. Потім, ймовірно, люди подумали: «Річка тече весь час, вона штовхає всякі предмети вниз за течією. Чому б нам не використати це на благо?» Так з'явилися водяні млини.

Колесо, вода, вітер

Звичайно, перші інженери, які будували ці споруди, нічого не знали ні про силу тяжіння, з-за якої вода завжди прагне вниз, ні про силу тертя або поверхневого натягу. Але вони бачили: якщо поставити в струмок або річку колесо з лопатями на діаметрі, то воно не тільки буде обертатися, але і зможе робити корисну роботу. Але і цей механізм був обмежений: не скрізь є проточна вода з досить силою течії. Тому люди пішли далі. Вони побудували млини, які працювали від вітру.

Вугілля, мазут, бензин

Коли вчені зрозуміли принцип збудження електрики, була поставлена технічна задача: отримувати його в промислових масштабах. На той час (середина хіх століття) світ був охоплений лихоманкою машин. Всю складну роботу прагнули доручити розширюється пару. Але тоді нагріти великі обсяги води вміли тільки викопним паливом – вугіллям і мазутом. Тому ті регіони світу, які були багаті стародавніми вуглеводами, одразу привернули увагу інвесторів і робітників. А перерозподіл людей призвело до промислової революції.

Голландія і Техас

Однак таке положення речей погано відбилося на екології. І вчені задумалися: як отримувати енергію, не руйнуючи природу? Виручило добре забуте старе. Млин використовувала крутний момент для здійснення безпосередньо грубої механічної роботи. Турбіни гідроелектростанцій обертають магніти. На даний момент саме чисте електрику отримують з енергії вітру. Інженери, які будували перші генератори Техасу, спиралися на досвід вітряних млинів Голландії.