Faradej I: magnet koji pravi struju
Istorija elektrotehnike
Deo 12 · London, 1821–1834.
Knjigovezački šegrt
Majkl Faradej (Michael Faraday, 1791–1867) rođen je u siromašnoj londonskoj porodici; otac je bio kovač lošeg zdravlja. Škole je imao onoliko koliko je trebalo da nauči da čita, piše i sabira. Sa četrnaest godina otišao je na sedmogodišnje šegrtovanje kod knjigovesca.
To je bila najsrećnija okolnost u njegovom životu. Knjige koje je povezivao mogao je i da čita. Pročitao je članak o elektricitetu u Encyclopaedia Britannica i knjigu Conversations on Chemistry Džejn Marse, i počeo sam da izvodi oglede.
Godine 1812. jedan mušterija mu je poklonio ulaznice za predavanja Hemfrija Dejvija, najslavnijeg hemičara tog doba, u Kraljevskoj instituciji. Faradej je vodio beleške, prepisao ih, uvezao u knjigu od tri stotine strana i poslao je Dejviju uz molbu za posao.
Nedugo zatim Dejvi je u laboratorijskoj nezgodi privremeno oštetio vid i zatrebao mu je pomoćnik. Setio se knjige. Faradej je 1813. primljen kao laboratorijski asistent — na dnu hijerarhije, sa poslovima koji su uključivali i pranje posuđa. Ostao je u toj kući pedeset godina i na kraju postao njen direktor.
Matematiku iznad osnovne algebre nikada nije naučio. To je važno za obe polovine ove priče: onemogućilo ga je da svoje rezultate zapiše formulama, ali ga je nateralo da misli u slikama — a upravo je jedna od tih slika promenila fiziku.
Prvo obrtanje, 1821.
Vest o Erstedovom otkriću, opisanom u tekstu „Ersted i Amper: igla koja je skrenula", stigla je u London 1820. Faradej je dobio zadatak da za jedan časopis napiše pregled svega što se o tome zna, pa je sve oglede ponovio sopstvenim rukama.
Radeći to, uočio je nešto što drugi nisu. Ako je magnetno dejstvo oko žice kružno, kako smo videli kod Ersteda, onda magnetni pol ne bi trebalo da bude ni privučen ni odbijen — nego bi trebalo da kruži oko žice.
Aparatura kojom je to pokazao, u septembru 1821, bila je ovakva: posuda sa živom, koja provodi struju, a u dnu učvršćen štapićasti magnet koji viri iz nje. Iznad, o pokretnom zglobu, visi žica čiji donji kraj uranja u živu. Kad se pusti struja, žica počne da kruži oko magneta i ne staje dok struja teče.
Napravio je i obrnutu verziju — nepokretna žica, pokretan magnet koji kruži oko nje.
To je prvo pretvaranje električne energije u neprekidno mehaničko kretanje. Prvi elektromotor u istoriji, ma koliko primitivan.
Deset godina traženja
Zatim je Faradej postavio pitanje koje je bilo očigledno i mnogima drugima. Struja proizvodi magnetizam. Da li magnetizam proizvodi struju?
U beležnicu je zapisao kratku napomenu: pretvoriti magnetizam u elektricitet. Pokušavao je deset godina.
Nije bio jedini. Amper je pokušavao, Kolader u Ženevi je bio vrlo blizu. Svi su radili istu grešku: namotali bi zavojnicu, priključili galvanometar, uneli magnet — i onda pogledali instrument. Igla bi mirovala.
Kolader je, po jednoj priči, čak držao galvanometar u susednoj sobi da mu magnet ne bi smetao, pa bi otišao da očita posle unošenja magneta. Skretanje je već prošlo.
29. avgust 1831.
Aparatura: gvozdeni prsten, spolja oko 15 cm u prečniku. Na jednu stranu prstena namotan jedan kalem izolovane bakarne žice, na suprotnu drugi. Ta dva kalema nisu ni na koji način električno spojena — između njih je samo gvožđe.
Prvi kalem se priključuje na bateriju, drugi na galvanometar.
Faradej je sklopio kolo baterije. Igla galvanometra je poskočila, pa se vratila na nulu. Struja u prvom kalemu je tekla i dalje — u drugom nije bilo ničega.
Onda je prekinuo kolo baterije. Igla je opet poskočila, ovog puta na suprotnu stranu.
To je bilo to. Struja se ne indukuje dok magnetizam postoji, nego dok se menja. Deset godina neuspeha zbog jedne reči.
U narednim nedeljama je proverio sve varijante. Guranje štapićastog magneta u zavojnicu daje otklon u jednu stranu, izvlačenje u drugu. Brže kretanje — veći otklon. Magnet koji miruje unutar zavojnice — ništa. Dva puta jače polje — dva puta veći otklon.
Dana 28. oktobra 1831. napravio je i napravu koja daje neprekidnu struju: bakarni disk koji se okreće između polova jakog magneta, sa kontaktima na osovini i na obodu. Dok se disk vrti, struja teče stalno. To je prvi generator — Faradejev disk, poznat i kao unipolarni generator.
Matematika: magnetni fluks i zakon indukcije
Da bi se ovo zapisalo formulom, treba nam veličina koja kazuje „koliko magnetnog polja prolazi kroz konturu". Ta veličina se zove magnetni fluks.
- Φ — magnetni fluks [veber, Wb]
- B — magnetna indukcija, uvedena kod Ampera [tesla, T]
- S — površina koju kontura obuhvata [m2]
- θ — ugao između pravca polja i normale na površinu [radijan ili stepen]
Kosinus je tu zato što je bitna samo ona komponenta polja koja prolazi kroz površinu. Ako je polje paralelno sa ravni konture, ništa ne prolazi i fluks je nula.
Sam zakon indukcije glasi:
- e — indukovana elektromotorna sila, dakle napon [volt, V]
- N — broj namotaja zavojnice
- ΔΦ — promena fluksa [Wb]
- Δt — vreme za koje se ta promena desila [s]
Ovde su tri stvari vredne pažnje.
Prva: u izrazu se ne pojavljuje Φ nego odnos ΔΦ/Δt — brzina promene fluksa. To je matematički zapis one Faradejeve rečenice: bitna je promena, ne postojanje. Ako uzmemo beskonačno mali interval, taj odnos postaje izvod dΦ/dt, i tako se zakon obično i piše.
Druga: množilac N. Svaki namotaj doprinosi svojim naponom, pa se za sto namotaja dobija sto puta veći napon. Ovo je razlog zašto su kalemovi namotani, a ne od jedne petlje.
Treća: znak minus. Njega Faradej nije zapisao — dodao ga je ruski fizičar Emil Lenc 1834, i on nosi važan smisao.
ZAPAMTI OVO
Lencovo pravilo. Indukovana struja teče u smeru takvom da se svojim dejstvom suprotstavlja promeni koja ju je izazvala.
Ako magnet guraš ka zavojnici, indukovana struja napravi polje koje ga odbija. Ako ga izvlačiš, napravi polje koje ga zadržava. U oba slučaja moraš da uložiš rad — i taj rad je tačno ono što se pretvori u električnu energiju.
Lencovo pravilo nije proizvoljno. Ono je posledica zakona održanja energije. Kad bi indukovana struja pomagala promenu umesto da joj se odupire, mali pomak magneta bi izazvao struju koja bi ga vukla dalje, ta struja bi rasla, i dobili bismo energiju ni iz čega. Znak minus je zabrana perpetuum mobilea, zapisana matematički.
Primer računa. Zavojnica od 200 namotaja, površine 50 cm2, nalazi se u polju od 0,4 T, upravno. Za 0,1 s polje se ravnomerno smanji na nulu.
- S = 50 cm2 = 0,005 m2 — prevedeno u osnovne jedinice
- Φ1 = 0,4 · 0,005 = 2 · 10−3 Wb — početni fluks; cos 0° = 1
- ΔΦ = 0 − 2 · 10−3 = −2 · 10−3 Wb — promena fluksa
- ΔΦ/Δt = −2 · 10−3 / 0,1 = −0,02 Wb/s — brzina promene
- e = −200 · (−0,02) = 4 V — rezultat
Ako je zavojnica zatvorena preko otpora od 2 Ω, po Omovom zakonu iz prethodnog teksta teče struja od 2 A.
Šta je tu zapravo prsten sa dva kalema
Vredi se vratiti na aparaturu od 29. avgusta i imenovati je. Dva kalema na zajedničkom gvozdenom jezgru, bez električne veze, gde promena struje u jednom izaziva napon u drugom — to je transformator.
Faradej ga nije tako nazvao niti je pomišljao na primenu; njemu je to bio ogled kojim dokazuje indukciju. Praktični transformator će se pojaviti tek pedesetak godina kasnije, kad naizmenična struja bude imala ko da je proizvodi.
Gvozdeni prsten nije bio slučajan izbor. Gvožđe vodi magnetno polje mnogo bolje nego vazduh — hiljadama puta — pa skoro sav fluks iz prvog kalema prolazi kroz drugi. Bez jezgra bi efekat bio toliko slab da bi Faradej i tog dana verovatno ništa ne bi video.
Elektroliza i još jedan zakon
Iste decenije Faradej je rešio i drugo pitanje. Od Nikolsona i Karlajla se znalo da struja razlaže hemijska jedinjenja, ali ne i po kom pravilu.
Faradej je 1833. i 1834. utvrdio da je masa izdvojene materije srazmerna količini naelektrisanja koje je prošlo kroz rastvor, i da za istu količinu naelektrisanja različiti elementi daju mase koje stoje u odnosu njihovih hemijskih ekvivalenata.
Posledica te druge tvrdnje je duboka, iako je Faradej nije izgovorio do kraja: ako se za jednu istu porciju elektriciteta uvek izdvoji tačno određen broj atoma, onda elektricitet mora dolaziti u porcijama. Naelektrisanje nije neprekidna tečnost — ono ima svoje najmanje zrno.
Do tog zaključka će fizika stići tek 1897, sa otkrićem elektrona. Faradejevi rezultati su bili prvi nagoveštaj.
Usput je, uz pomoć prijatelja klasičara Vilijama Hjuela, uveo i reči koje i danas koristimo: elektroda, anoda, katoda, jon, elektrolit, elektroliza.
Šta je ovo promenilo
Sve. I to doslovno.
Do 1831. jedini izvor trajne struje bila je baterija — hemijska naprava, skupa, slabe snage, sa materijalom koji se troši. Cela elektrotehnika je bila ograničena onim što jedan Voltin stub može da dâ.
Posle Faradeja, struju proizvodi kretanje. A kretanje se može dobiti od vode, od pare, od vetra, od bilo čega što se okreće. Svaka elektrana na svetu, bez izuzetka, radi na principu koji je Faradej otkrio 29. avgusta 1831: nešto okreće provodnik u magnetnom polju.
Isto važi i za suprotan smer. Elektromotor je ista mašina puštena unatrag, i on je danas u svakom alatu, liftu, vozu i automobilu.
Vredi zapamtiti i simetriju do koje smo stigli. Ersted: struja pravi magnetno polje. Faradej: promena magnetnog polja pravi struju. Dve polovine jedne pojave — i naslućuje se da bi one mogle da se međusobno hrane.
Ostalo je, međutim, pitanje koje Faradeja nije puštalo. Kako drugi kalem uopšte „zna" da se u prvom nešto promenilo? Između njih nema žice. Nema ni vazduha koji bi nešto preneo — radi i u vakuumu. Amperovska fizika je govorila da struje deluju jedna na drugu na daljinu, trenutno, kroz ništa.
Faradej u to nije verovao. Video je previše puta kako se gvozdeni opiljci slažu u pravilne krivulje oko magneta, i te krivulje mu nisu izgledale kao geometrijska pomoć, nego kao nešto što stvarno postoji u prostoru.
Ta ideja, koju je nazvao silnicama, biće tema sledećeg teksta. Njome se raskida sa dvestogodišnjom njutnovskom slikom sveta i priprema teren za Maksvela.
Comments
Post a Comment