Elektromagnētiskā indukcija: no Faradeja līdz mūsdienām
Mūsdienās, kad grūti iedomāties pasauli bez elektrības un elektronikas, šķiet vieglāk uzskaitīt, kur netiek izmantota elektromagnētiskā indukcija.
Kas tad ir elektromagnētiskā indukcija? Visbiežāk ar vārdu elektrība saprot elektrisko strāvu vai elektroenerģiju. Pēc būtības tā ir elektrisko lādiņu plūsma. Ja tā plūst vienā virzienā, kā no baterijas vai akumulatora poliem, tad to dēvē par līdzstrāvu. Ja tā plūst pārmaiņus vienā un otrā virzienā, kā tas notiek elektriskajā tīklā, tā ir maiņstrāva.
Definīcija un vēsture
Visur, kur plūst elektriskā strāva, tai apkārt veidojas magnētiskais lauks. Un arī otrādi – magnētiskā lauka izmaiņas rada elektrisko strāvu materiālos, kas spēj vadīt elektrību.
Indukcija, burtiski tulkojot, ir radīšana. Elektriskā strāva var radīt magnētisko lauku, magnētiskais lauks – strāvu. Tomēr, lai detalizēti šīs parādības izpētītu un iemācītos izmantot cilvēces labā, pagāja gadu tūkstoši.
Pie šīs izpētes sākuma klāt stāvējuši kaķi un dzintars. Jau sestajā gadsimtā pirms mūsu ēras sengrieķu filozofs Taless no Milētas (624. – 546. gads p.m.ē.) rakstīja, ka, dzintaru berzējot pret kaķa spalvu, lec dzirksteles. Mūsdienās to sauc par statiskās elektrības izlādēm. Tad nu elektrība tika nosaukta dzintara vārdā – elektron grieķu valodā ir dzintars. Šie uzskati par elektrību saglabājās līdz pat 16. gadsimtam.
Saikni starp elektrību un magnētismu jau 1820. gadā atklāja un pētīja dāņu fiziķis un ķīmiķis Hanss Kristians Ersteds (1777. – 1851). Proti, kompasa adata kustējās, ja tās tuvumā plūda strāva.
Faradeja un Ampēra sacensība
Elektrības un magnētisma saistību daudz pētīja angļu fiziķis un ķīmiķis Maikls Faradejs (1791–1867) un franču fiziķis Andrē Marī Ampērs (1775–1836).
Faradejs jau bija atklājis, ka dzelzs serde, ap kuru aptīta stieple, iegūst magnēta īpašības, ja caur to kustas strāva. Intuīcija gan Faradejam, gan Ampēram teica priekšā, ka jābūt arī pretējam procesam, kad no magnētiskā lauka vajadzētu spēt iegūt elektrisko strāvu. Abi zinātnieki strādāja pie šā jautājuma paralēli, veicot ļoti līdzīgus eksperimentus.
Desmit gadus Faradejs meklēja ceļu, kā no magnētiskā lauka iegūt strāvu. Viņš bieži bija sastopams kādā Londonas parkā, pārdomās iegrimis, uz soliņa rokās turot vadu spoli un magnētu. Pie šā jautājuma viņš strādāja arī laboratorijā un kopumā bija veicis 40 016 eksperimentus, ko rūpīgi dokumentēja.
Lai pierādītu, ka magnēti spēj radīt elektrisko strāvu, gan Faradejs, gan Ampērs izmantoja vienādu pieeju. Proti, magnētu ievietoja vadu spolē un mēģināja konstatēt vadu tinumā elektrisko strāvu. Tajos laikos mērierīce strāvas noteikšanai bija galvanometrs. Tā kā toreiz tā bija ļoti cimperlīga iekārta, gan Faradejs, gan Ampērs to izvietoja blakus telpā.
Nesabiedriskums iegriež zinātniekam
Ampērs bija visai nesabiedrisks (varbūt tāpēc, ka 18 gadu vecumā piedzīvoja sava tēva giljotinizēšanu – nāves sodu, nocērtot galvu) un eksperimentus veica vienatnē. Sākumā viņš ievietoja magnētu spolē un pagāja kāds laiks, kamēr fiziķis aizgāja uz blakus telpu paskatīties galvanometra rādījumus. Par spīti intuīcijai un loģikai, viņš nenovēroja strāvu tajos brīžos, kad skatījās galvanometra rādījumus.
Faradejs bija sabiedriskāks, un viņam 40 gadus par palīgu strādāja bijušais artilērijas seržants Andersons. Tieši viņš redzēja galvanometra bultiņas kustēšanos brīžos, kad magnēts tika kustināts gar spoli. Liekot magnētu spolē, bultiņa kustējās vienā virzienā, velkot ārā – pretējā virzienā. Tātad strāvu rada magnētiskā lauka izmaiņas.
Tā 1831. gada 17. oktobrī tika atklāta elektromagnētiskā indukcija, un elektrisko strāvu, kuru rada magnētu kustība, nosauca par indukcijas strāvu. Šie pētījumi ne tikai padarīja Faradeju slavenu, bet aizsāka elektrības praktiskās izmantošanas ēru.
1831. gada 17. oktobrī tika atklāta elektromagnētiskā indukcija
Elektrības ražošana
Būtiskākais, ka magnētu kustināšana ļauj saražot elektrisko strāvu. Magnētu un vadu spoļu savstarpēja kustība ļauj ražot strāvu ģeneratoros. Vai šo kustību rada vēja rotoros, ūdens tvaiki termoelektrocentrālēs un atomspēkstacijās, krītošais ūdens hidrospēkstacijās vai iekšdedzes dzinējā sadegošā degviela, nav vairs tik būtiski.
Tāpat nav būtiski, kādu magnētu izmanto – statisko (tādu, kas ir magnēts neatkarīgi no strāvas, kas gar to plūst) vai elektromagnētu (kas darbojas kā magnēts tikai plūstot caur to strāvai). Mūsdienās vairāk nekā 95% elektriskās strāvas saražo, pateicoties elektromagnētiskajai indukcijai.
Arī elektrības skaitītāji un strāvas noplūdes slēdži, kas atslēdz elektrību, pirms gūta nopietna elektrotrauma, darbojas uz elektromagnētiskās indukcijas principa. Ērta alternatīva mobilo tālruņu uzlādei ir bezvadu telefona lādētājs, kas darbojas uz elektromagnētiskās indukcijas principa.
Pārveide transformatoros
Burtiski tulkojot, transformators ir pārveidotājs un šaurākā nozīmē strāvas sprieguma pārveidotājs. Ar transformatoriem no neliela elektriskā sprieguma var radīt augstspriegumu (330 vai 110 kilovolti) un atkal samazināt līdz 220 voltiem, ko izmantojam sadzīvē. Tāpat arī var samazināt 220 voltu spriegumu līdz deviņiem voltiem, kas ir piemēroti mobilo tālruņu uzlādei.
Augstsprieguma strāvu nerada elektrostacijas turbīnas, par tādu tā tiek pārveidota transformatoru stacijās, kas ir pie katras elektrostacijas, Tas notiek ar vienu mērķi – lielos attālumos pārvadot, augstsprieguma strāvai ir mazāk zudumu un ir izdevīgi izmantot transformatorus. Augstspriegums pirms padeves patērētājam arī tiek samazināts transformatoros.
Kā darbojas transformators? Tajā ir divas spoles, katra ar dažādu vada tinumu skaitu. Vienā spolē ienākošā strāva rada magnētisko lauku, un savukārt magnētiskais lauks inducē strāvu otrā spolē. Sens latviešu teiciens vēsta – kur malku cērt, tur skaidas lec. Fizikas valodā tulkojot, tas ir stāsts par lietderības koeficientu un elektroenerģijas zudumiem.
No vienas puses, efektīvāki ir transformatori, kuros ir serde un jo īpaši dzelzi saturoša. No otras puses, kad šajā serdē sāk plūst elektriskās strāvas, tās sakarst un ievērojamu daļu savas enerģijas pārvērš siltuma enerģijā. Ir skaidrs, ka pārlieka sakaršana var būt bīstama un arī no taupības viedokļa tas nav labi.
Par laimi, šī problēma atrisināta jau sen. Proti, par transformatoru serdēm lieto nevis viengabalainu metālu, bet no plānām izolētām ar laku pārklātām transformatoru tērauda plāksnēm. Fuko jeb virpuļstrāvas var cirkulēt tikai katrā vienā atsevišķā plāksnē, līdz ar to nesilda transformatoru un nemazina tā lietderības koeficientu.
Fuko strāvas un sildīšana
Elektromagnētiskās indukcijas rezultātā radušās Fuko strāvas ne vienmēr jācenšas samazināt. Gluži otrādi, tās var izmantot karsēšanai. Sadzīvē daudzās mājās ir indukcijas plītis. Zem stikla virsmas novietotas spoles, kas rada magnētisko lauku, un katlā vai pannā rada tik stipras Fuko strāvas, kas karsē pašu gatavošanas trauku. Tātad siltums tiek piegādāts tieši kur vajag un nekarsē plīti.
Karsēšanas stiprumu regulē ar impulsiem, kas tiek sūtīti uz trauka pamatni. Biežāk startētas Fuko strāvas karsē līdz augstākai temperatūrai. Ja uz plīts nav īpaši piemērota trauka, sildīšana nenotiek. Traukus, kas derēs indukcijas plītīm, veikalā var pazīt ar magnētu – ja tas pie trauka dibena līp, tad būs izmantojams. Ir iespējams arī izmantot pārejnieku citu trauku sildīšanai – tā ir metāla plāksne, kas, līdzīgi kā indukcijas plītīm piemērota panna, uzsilst un karsē citu trauku.
