Hoy revelaremos un fenómeno de la física como la "ley de la inducción electromagnética". Le diremos por qué Faraday realizó experimentos, le daremos una fórmula y le explicaremos la importancia del fenómeno para la vida cotidiana.
Dioses antiguos y física
Los antiguos adoraban lo desconocido. Y ahora un hombre tiene miedo de las profundidades del mar y la distancia del espacio. Pero la ciencia puede explicar por qué. Los submarinos capturan la increíble vida de los océanos a una profundidad de más de un kilómetro, los telescopios espaciales estudian objetos que existieron solo unos pocos millones de años después del Big Bang.
Pero entonces la gente deificaba todo lo que les fascinaba y perturbaba:
- amanecer;
- plantas que despiertan en primavera;
- lluvia;
- nacimiento y muerte.
En cada objeto y fenómeno vivían fuerzas desconocidas que gobernaban el mundo. Hasta ahora, los niños tienden a humanizar los muebles y los juguetes. Sin la atención de los adultos, fantasean: una manta se abrazará, un taburete cabrá, la ventana se abrirá sola.
Quizás el primer paso evolutivo de la humanidad fue la capacidad de mantenerel fuego. Los antropólogos sugieren que los primeros fuegos se encendieron en un árbol alcanzado por un rayo.
Por lo tanto, la electricidad ha jugado un papel muy importante en la vida de la humanidad. El primer relámpago impulsó el desarrollo de la cultura, la ley básica de la inducción electromagnética llevó a la humanidad al estado actual.
Del vinagre al reactor nuclear
Se encontraron extrañas vasijas de cerámica en la pirámide de Keops: el cuello está sellado con cera, un cilindro de metal está escondido en las profundidades. En el interior de los muros se encontraron restos de vinagre o vino agrio. Los científicos han llegado a una conclusión sensacional: este artefacto es una batería, una fuente de electricidad.
Pero hasta 1600 nadie se comprometió a estudiar este fenómeno. Antes de mover electrones, se exploró la naturaleza de la electricidad estática. Los antiguos griegos sabían que el ámbar produce descargas si se frota contra el pelaje. El color de esta piedra les recordaba la luz de la estrella Electra de las Pléyades. Y el nombre del mineral se convirtió, a su vez, en motivo para bautizar al fenómeno físico.
La primera fuente CC primitiva se construyó en 1800
Por supuesto, tan pronto como apareció un capacitor lo suficientemente potente, los científicos comenzaron a estudiar las propiedades del conductor conectado a él. En 1820, el científico danés Hans Christian Oersted descubrió que una aguja magnética se desviaba junto a un conductor incluido en la red. Este hecho impulsó el descubrimiento de la ley de inducción electromagnética por parte de Faraday (la fórmula se dará a continuación), que permitió a la humanidad extraerelectricidad a partir de agua, viento y combustible nuclear.
Primitivo pero moderno
Oersted sentó las bases físicas de los experimentos de Max Faraday. Si un conductor conmutado afecta a un imán, lo contrario también es cierto: un conductor magnetizado debe inducir una corriente.
La estructura del experimento que ayudó a derivar la ley de inducción electromagnética (CEM como concepto que consideraremos un poco más adelante) fue bastante simple. Un alambre enrollado en un resorte está conectado a un dispositivo que registra la corriente. El científico llevó un gran imán a las bobinas. Mientras el imán se movía junto al circuito, el dispositivo registró el flujo de electrones.
La técnica ha mejorado desde entonces, pero el principio básico para crear electricidad en grandes estaciones sigue siendo el mismo: un imán en movimiento excita una corriente en un conductor enrollado por un resorte.
Desarrollo de ideas
La primera experiencia convenció a Faraday de que los campos eléctricos y magnéticos están interconectados. Pero era necesario averiguar exactamente cómo. ¿También surge un campo magnético alrededor de un conductor que lleva corriente, o simplemente pueden influirse entre sí? Por lo tanto, el científico fue más allá. Enrolló un cable, le llevó corriente y empujó esta bobina hacia otro resorte. Y también consiguió electricidad. Esta experiencia demostró que los electrones en movimiento crean no solo un campo eléctrico sino también magnético. Más tarde, los científicos descubrieron cómo se ubican en el espacio entre sí. El campo electromagnético es también la razón por la cual hayluz.
Experimentando con diferentes opciones para la interacción de conductores vivos, Faraday descubrió que la corriente se transmite mejor si tanto la primera como la segunda bobina están enrolladas en un núcleo de metal común. La fórmula que expresa la ley de la inducción electromagnética se derivó de este dispositivo.
La fórmula y sus componentes
Ahora que la historia del estudio de la electricidad se ha llevado al experimento de Faraday, es hora de escribir la fórmula:
ε=-dΦ / dt.
Descifrar:
ε es la fuerza electromotriz (EMF para abreviar). Dependiendo del valor de ε, los electrones se mueven más intensamente o más débilmente en el conductor. El poder de la fuente afecta el EMF, y la fuerza del campo electromagnético lo afecta.
Φ es la magnitud del flujo magnético que actualmente atraviesa un área determinada. Faraday enrolló el alambre en un resorte, porque necesitaba cierto espacio a través del cual pasaría el conductor. Por supuesto, sería posible hacer un conductor muy grueso, pero eso sería costoso. El científico escogió la forma circular porque esta figura plana tiene la relación más grande entre el área y la longitud de la superficie. Esta es la forma más eficiente energéticamente. Por lo tanto, las gotas de agua sobre una superficie plana se vuelven redondas. Además, un resorte con una sección redonda es mucho más fácil de obtener: solo necesita enrollar el cable alrededor de algún tipo de objeto redondo.
t es el tiempo que tardó el flujo en pasar por el bucle.
El prefijo d en la fórmula de la ley de inducción electromagnética significa que el valor es diferencial. Es decirse debe diferenciar un pequeño flujo magnético en pequeños intervalos de tiempo para obtener el resultado final. Esta acción matemática requiere cierta preparación por parte de las personas. Para comprender mejor la fórmula, recomendamos encarecidamente al lector que recuerde la diferenciación y la integración.
Consecuencias de la ley
Inmediatamente después del descubrimiento de Faraday, los físicos comenzaron a investigar el fenómeno de la inducción electromagnética. La ley de Lenz, por ejemplo, fue derivada experimentalmente por un científico ruso. Fue esta regla la que agregó un signo menos a la fórmula final.
Se ve así: la dirección de la corriente de inducción no es accidental; el flujo de electrones en el segundo devanado, por así decirlo, tiende a reducir el efecto de la corriente en el primer devanado. Es decir, la aparición de la inducción electromagnética es en realidad la resistencia del segundo resorte a la interferencia en la "vida personal".
La regla de Lenz tiene otra consecuencia.
- si la corriente en la primera bobina aumenta, entonces la corriente del segundo resorte también tenderá a aumentar;
- si la corriente en el devanado inductor cae, la corriente en el segundo devanado también disminuirá.
Según esta regla, un conductor en el que se produce una corriente inducida en realidad tiende a compensar el efecto de un flujo magnético cambiante.
Grano y burro
Use los mecanismos más simples para su propio beneficio, las personas se han esforzado durante mucho tiempo. Moler harina es un trabajo duro. Algunas tribus muelen el grano a mano: ponen el trigo en una piedra, cubren con otra piedra plana y redonda, y giranpiedra de molino. Pero si necesita moler harina para todo un pueblo, entonces no puede hacerlo solo con trabajo muscular. Al principio, la gente pensó en atar un animal de tiro a la piedra de molino. El burro tiró de la cuerda - la piedra giró. Entonces, probablemente, la gente pensó: “El río fluye todo el tiempo, empuja todo tipo de cosas río abajo. ¿Por qué no lo usamos para el bien? Así aparecieron los molinos de agua.
Rueda, agua, viento
Por supuesto, los primeros ingenieros que construyeron estas estructuras no sabían nada sobre la fuerza de la gravedad, por lo que el agua siempre tiende a caer, ni sobre la fuerza de fricción o la tensión superficial. Pero vieron: si colocas una rueda con cuchillas en un diámetro en un arroyo o río, no solo girará, sino que también podrá realizar un trabajo útil.
Pero incluso este mecanismo era limitado: no en todas partes hay agua corriente con suficiente intensidad de corriente. Así que la gente siguió adelante. Construyeron molinos que funcionaban con el viento.
Carbón, fuel oil, gasolina
Cuando los científicos comprendieron el principio de excitación de la electricidad, se les planteó una tarea técnica: obtenerla a escala industrial. En ese momento (mediados del siglo XIX) el mundo estaba en una fiebre de máquinas. Intentaron confiar todo el trabajo difícil a la pareja en expansión.
Pero solo los combustibles fósiles, el carbón y el fuel oil, podían calentar grandes volúmenes de agua. Por lo tanto, aquellas regiones del mundo que eran ricas en carbonos antiguos atrajeron de inmediato la atención de inversores y trabajadores. Y la redistribución de personas condujo a la revolución industrial.
Holanda yTejas
Sin embargo, este estado de cosas tuvo un efecto negativo en el medio ambiente. Y los científicos pensaron: ¿cómo obtener energía sin destruir la naturaleza? Rescatado bien olvidado viejo. El molino usó torque para hacer directamente trabajo mecánico de desbaste. Las turbinas de las centrales hidroeléctricas giran imanes.
Actualmente, la electricidad más limpia proviene de la energía eólica. Los ingenieros que construyeron los primeros generadores en Texas se basaron en la experiencia de los molinos de viento en Holanda.
