Wou mayetik Maxwell la

Fizisyen angle James Clark Maxwell, ki te viv nan 1831-79, se pi byen li te ye pou fòmile sistèm nan ekwasyon ki kache elektwodinamik-ak itilize li pou predi egzistans lan nan onn elektwomayetik. Sepandan, sa a se pa tout reyalizasyon enpòtan li yo. Maxwell te enplike tou nan thermodynamics, incl. te bay konsèp nan pi popilè "demon" ki dirije mouvman an nan molekil gaz, ak sòti yon fòmil ki dekri distribisyon an nan vitès yo. Li te tou etidye konpozisyon koulè ak envante yon aparèy trè senp epi enteresan yo demontre youn nan lwa ki pi fondamantal nan lanati - prensip la nan konsèvasyon enèji. Ann eseye konnen aparèy sa a pi byen.

Aparèy mansyone a rele Maxwell a wou oswa pandil. Nou pral fè fas ak de vèsyon nan li. Premye a pral envante pa Maxwell - se pou yo rele li klasik, nan ki pa gen okenn leman. Pita nou pral diskite sou vèsyon an modifye, ki se menm plis etonan. Se pa sèlman nou pral kapab sèvi ak tou de opsyon Demo, i.e. bon jan kalite eksperyans, men tou, detèmine efikasite yo. Gwosè sa a se yon paramèt enpòtan pou chak motè ak machin k ap travay.

Ann kòmanse ak vèsyon klasik wou Maxwell la.

Lynx. youn. Vèsyon an klasik nan wou Maxwell a: 1 - orizontal ba, 2 - fil fò, 3 - aks, 4 - wou ak yon moman segondè nan inèsi.

Yo montre vèsyon an klasik nan wou Maxwell nan Fig. fig. 1. Pou fè li, nou tache yon baton fò orizontal - li kapab yon bwòs baton mare nan do a nan yon chèz. Lè sa a, ou bezwen prepare yon wou apwopriye epi mete l san mouvman sou yon aks mens. Idealman, dyamèt sèk la ta dwe apeprè 10-15 cm, ak pwa a ta dwe apeprè 0,5 kg. Li enpòtan pou prèske tout mas wou a tonbe sou sikonferans lan. Nan lòt mo, wou a ta dwe gen yon sant limyè ak yon Rim lou. Pou rezon sa a, ou ka sèvi ak yon ti wou pal soti nan yon kabwa oswa yon gwo kouvèti fèblan ki soti nan yon bwat epi chaje yo alantou sikonferans lan ak kantite ki apwopriye a nan vire fil. Se wou a mete san mouvman sou yon aks mens nan mwatye nan longè li. Aks la se yon moso nan tiyo aliminyòm oswa baton ki gen yon dyamèt 8-10 mm. Fason ki pi fasil la se fè egzèsis yon twou nan wou a ak yon dyamèt 0,1-0,2 mm mwens pase dyamèt aks la, oswa itilize yon twou ki deja egziste pou mete wou a sou aks la. Pou yon pi bon koneksyon ak wou a, aks la ka andwi ak lakòl nan pwen an kontak nan eleman sa yo anvan peze.

Sou tou de bò sèk la, nou mare segman nan yon fil mens ak fò 50-80 cm nan longè aks la.Sepandan, se yon fiksasyon ki pi serye reyalize pa perçage aks la nan tou de bout ak yon egzèsis mens (1-2 mm) ansanm dyamèt li, mete yon fil nan twou sa yo epi mare li. Nou mare pwent ki rete yo nan fil la nan baton an epi konsa kwoke sèk la. Li enpòtan pou aks sèk la entèdi orizontal, ak fil yo vètikal ak respire espacement de plan li. Pou enfòmasyon konplè, li ta dwe ajoute ke ou ka achte tou yon wou Maxwell fini nan konpayi ki vann èd ansèyman oswa jwèt edikatif. Nan tan lontan, li te itilize nan prèske chak laboratwa fizik lekòl la. 

Premye eksperyans

Ann kòmanse ak sitiyasyon an lè wou a pandye sou aks orizontal la nan pozisyon ki pi ba a, i.e. tou de fil yo konplètman dewoule. Nou atrab aks wou a ak dwèt nou nan tou de bout epi tou dousman vire l. Kidonk, nou van fil yo sou aks la. Ou ta dwe peye atansyon sou lefèt ke pwochen vire yo nan fil la yo respire espace - youn akote lòt la. Aks wou yo dwe toujou orizontal. Lè volan an apwoche baton an, sispann likidasyon epi kite aks la deplase lib. Anba enfliyans nan pwa, wou a kòmanse deplase anba ak fil yo dewoule nan aks la. Wou a vire trè dousman an premye, Lè sa a, pi vit ak pi vit. Lè fil yo konplètman depliye, wou a rive nan pwen ki pi ba li yo, ak Lè sa a, yon bagay etonan rive. Wotasyon wou a ap kontinye nan menm direksyon an, epi wou a kòmanse deplase anlè, ak fil yo blese alantou aks li yo. Vitès la nan wou a piti piti diminye epi evantyèlman vin egal a zewo. Lè sa a, wou a parèt nan menm wotè ak anvan li te lage. Mouvman sa yo monte ak desann yo repete anpil fwa. Sepandan, apre yon kèk oswa yon douzèn mouvman sa yo, nou remake ke wotè yo kote wou a leve vin pi piti. Evantyèlman wou a ap sispann nan pozisyon ki pi ba li yo. Anvan sa, li se souvan posib yo obsève osilasyon nan aks la nan wou a nan yon direksyon pèpandikilè ak fil la, tankou nan ka a nan yon pandil fizik. Se poutèt sa, wou Maxwell pafwa yo rele yon pandil.

Lynx. youn. Paramèt prensipal yo nan wou Maxwell la: - pwa, - reyon wou, - reyon aks, - pwa nan wou a ak aks la, - vitès lineyè, ₀ - wotè inisyal.

Ann eksplike kounye a poukisa wou Maxwell konpòte li nan fason sa a. Winding fil yo sou aks la, leve wou a nan wotè ₀ epi fè travay atravè li (fig. 2). Kòm yon rezilta, volan an nan pozisyon ki pi wo li yo gen enèji potansyèl gravite a _peksprime pa fòmil [1]:

kote akselerasyon tonbe lib la.

Kòm fil la dewoule, wotè a diminye, epi ak li enèji potansyèl gravite a. Sepandan, volan an pran vitès e konsa akeri enèji sinetik. _kki kalkile pa fòmil [2]:

kote se moman inèsi wou an, epi se vitès angilè li (= /). Nan pozisyon ki pi ba nan wou a (₀ = 0) enèji potansyèl la egal a zewo. Enèji sa a, sepandan, pa t 'mouri, men li te tounen nan enèji sinetik, ki ka ekri dapre fòmil la [3]:

Kòm wou a ap deplase, vitès li diminye, men wotè a ogmante, ak Lè sa a, enèji sinetik la vin enèji potansyèl. Chanjman sa yo ta ka pran nenpòt ki kantite tan si li pa t 'pou rezistans nan mouvman - rezistans lè, rezistans ki asosye ak likidasyon nan fil la, ki mande pou kèk travay ak lakòz wou a ralanti nan yon sispann konplè. Enèji a pa peze, paske travay la fè nan simonte rezistans nan mouvman lakòz yon ogmantasyon nan enèji entèn nan sistèm nan ak yon ogmantasyon asosye nan tanperati, ki ta ka detekte ak yon tèmomèt trè sansib. Travay mekanik ka konvèti nan enèji entèn san limitasyon. Malerezman, pwosesis la ranvèse contrainte pa dezyèm lwa tèmodinamik la, e konsa potansyèl ak enèji sinetik wou an evantyèlman diminye. Li ka wè ke wou Maxwell a se yon trè bon egzanp pou montre transfòmasyon enèji ak eksplike prensip konpòtman li.

Efikasite, ki jan yo kalkile li?

Efikasite nenpòt machin, aparèy, sistèm oswa pwosesis defini kòm rapò enèji resevwa nan fòm itil. _u bay enèji _d. Anjeneral valè sa a eksprime kòm yon pousantaj, kidonk efikasite a eksprime pa fòmil [4]:

                                                        .

Efikasite nan objè reyèl oswa pwosesis se toujou anba a 100%, byenke li ka e li ta dwe trè pre valè sa a. Ann ilistre definisyon sa a ak yon egzanp senp.

Enèji itil nan yon motè elektrik se enèji sinetik mouvman wotasyon. Pou yon motè konsa travay, li dwe mache ak elektrisite, pou egzanp, nan yon batri. Kòm ou konnen, yon pati nan enèji nan opinyon lakòz chofaj nan likidasyon yo, oswa li nesesè simonte fòs yo friksyon nan BEARINGS yo. Se poutèt sa, enèji sinetik itil se mwens pase elektrisite D '. Olye de enèji, valè [4] yo ka ranplase tou nan fòmil la.

Kòm nou te etabli pi bonè, wou Maxwell a gen enèji potansyèl gravite anvan li kòmanse deplase. _p. Apre w fin ranpli yon sik mouvman monte ak desann, wou a tou gen enèji potansyèl gravitasyonèl, men nan yon wotè ki pi ba. ₁kidonk gen mwens enèji. Ann endike enèji sa a kòm _P1. Dapre fòmil [4], efikasite wou nou an kòm yon konvètisè enèji ka eksprime pa fòmil [5]:

Fòmil [1] montre enèji potansyèl yo dirèkteman pwopòsyonèl ak wotè. Lè w ranplase fòmil [1] nan fòmil [5] epi pran an konsiderasyon mak wotè ki koresponn ak ₁, mwen jwenn li [6]:

Fòmil [6] fè li fasil pou detèmine efikasite sèk Maxwell la - li ase pou mezire wotè ki koresponn ak kalkile kosyan yo. Apre yon sik mouvman, wotè yo ka toujou trè pre youn ak lòt. Sa a ka rive ak yon wou ki fèt ak anpil atansyon ak yon gwo moman nan inèsi leve soti vivan nan yon wotè konsiderab. Se konsa, ou pral oblije pran mezi ak gwo presizyon, ki pral difisil nan kay la ak yon règ. Se vre, ou ka repete mezi yo epi kalkile mwayèn, men w ap jwenn rezilta a pi vit apre w fin jwenn yon fòmil ki pran an kont kwasans apre plis mouvman. Lè nou repete pwosedi anvan an pou kondwi sik, apre yo fin ki wou a pral rive nan wotè maksimòm li yo _n, Lè sa a, fòmil efikasite a pral [7]:

altitid _n apre yon kèk oswa yon douzèn oswa konsa sik nan mouvman, li se konsa diferan de ₀ke li pral fasil pou wè ak mezire. Efikasite nan wou Maxwell la, tou depann de detay yo nan fabrikasyon li yo - gwosè, pwa, kalite ak epesè fil la, elatriye - anjeneral 50-96%. Pi piti valè yo jwenn pou wou ak ti mas ak reyon sispann sou fil pi rèd. Li evidan, apre yon kantite sik ase gwo, wou a sispann nan pozisyon ki pi ba a, sa vle di. _n = 0. Lektè atantif la, sepandan, pral di ke Lè sa a, efikasite kalkile pa fòmil [7] egal a 0. Pwoblèm nan se ke nan derivasyon an nan fòmil [7], nou tasitman adopte yon sipozisyon senplifye adisyonèl. Dapre li, nan chak sik mouvman, wou a pèdi menm pati nan enèji aktyèl li yo ak efikasite li se konstan. Nan lang matematik la, nou sipoze wotè siksesif fòme yon pwogresyon jewometrik ak yon kosyan. An reyalite, sa a pa ta dwe jiskaske wou a finalman sispann nan yon wotè ki ba. Sitiyasyon sa a se yon egzanp yon modèl jeneral, dapre ki tout fòmil, lwa ak teyori fizik gen yon dimansyon limite nan aplikabilite, tou depann de sipozisyon yo ak senplifikasyon yo adopte nan fòmilasyon yo.

Vèsyon mayetik

Lynx. youn. Wou mayetik Maxwell a: 1 - yon wou ki gen yon gwo moman inèsi, 2 - yon aks ak leman, 3 - yon gid asye, 4 - yon konektè, 5 - yon baton.

Koulye a, nou pral fè fas ak vèsyon an mayetik nan wou Maxwell - detay konstriksyon yo prezante Diri. 3 ak 4. Pou rasanble li, w ap bezwen de leman neyodim silendrik ki gen yon dyamèt 6-10 mm ak yon longè 15-20 mm. Nou pral fè aks wou a soti nan yon tib aliminyòm ki gen yon dyamèt enteryè ki egal a dyamèt leman yo. Miray la nan tib la ta dwe mens ase

1 mm. Nou mete leman yo nan tib la, mete yo nan yon distans 1-2 mm soti nan pwent li yo, epi kole yo ak lakòl epoksidik, tankou Poxipol. Oryantasyon an nan poto yo nan leman yo pa gen pwoblèm. Nou fèmen pwent yo nan tib la ak ti disk aliminyòm, ki pral fè leman yo envizib, ak aks la pral sanble ak yon baton solid. Kondisyon yo dwe satisfè pa wou a ak ki jan yo enstale li se menm jan ak anvan.

Pou vèsyon sa a nan wou a, li nesesè tou fè gid asye soti nan de seksyon enstale nan paralèl. Yon egzanp sou longè gid ki pratik nan itilizasyon pratik se 50-70 cm.Sa yo rele pwofil yo fèmen (kre andedan) nan seksyon kare, bò a nan ki gen yon longè 10-15 mm. Distans ki genyen ant gid yo dwe egal ak distans leman yo mete sou aks la. Fini yo nan gid yo sou yon bò yo ta dwe ranpli nan yon semisèk. Pou pi bon retansyon nan aks la, moso nan yon baton asye ka bourade nan gid yo devan dosye a. Pwen ki rete nan tou de ray yo dwe tache ak konektè baton an nan nenpòt fason, pou egzanp, ak boulon ak nwa. Mèsi a sa a, nou te resevwa yon manch konfòtab ki ka kenbe nan men ou oswa tache ak yon trépied. Aparans nan youn nan kopi yo manifaktire nan wou mayetik Maxwell a montre FOTO. nèf.

Pou aktive wou mayetik Maxwell la, mete pwent aks li yo sou sifas anwo ray yo toupre konektè a. Kenbe gid yo pa manch lan, panche yo dyagonalman nan direksyon pwent yo awondi. Lè sa a, wou a kòmanse woule ansanm gid yo, tankou si sou yon avyon enkline. Lè yo rive nan pwent wonn yo nan gid yo, wou a pa tonbe, men woule sou yo epi

Lynx. youn. Detay sou desen an nan wou mayetik Maxwell yo montre nan seksyon axial:

1 - wou ak yon moman segondè nan inèsi, 2 - aks tib aliminyòm, 3 - silendrik leman neyodim, 4 - aliminyòm ki gen kapasite.

li fè yon evolisyon etonan - li woule sifas ki pi ba yo nan gid yo. Sik mouvman ki dekri a repete anpil fwa, tankou vèsyon klasik wou Maxwell la. Nou ka menm mete ray yo vètikal ak wou a pral konpòte egzakteman menm bagay la. Kenbe volan an sou sifas gid yo posib akòz atraksyon nan aks la ak leman neyodim kache nan li.

Si, nan yon gwo ang enklinezon nan gid yo, wou a glise ansanm yo, Lè sa a, pwent yo nan aks li yo ta dwe vlope ak yon kouch papye grenn amann epi kole ak Butapren lakòl. Nan fason sa a, nou pral ogmante friksyon ki nesesè pou asire yon woule san yo pa glise. Lè vèsyon an mayetik nan wou Maxwell deplase, chanjman ki sanble nan enèji mekanik rive, tankou nan ka a nan vèsyon an klasik. Sepandan, pèt enèji a ka yon ti jan pi gwo akòz friksyon ak ranvèsman magnetization nan gid yo. Pou vèsyon sa a nan wou a, nou ka detèmine tou efikasite nan menm jan an jan sa dekri pi bonè pou vèsyon an klasik. Li pral enteresan yo konpare valè yo jwenn yo. Li fasil pou devine ke gid yo pa dwe dwat (yo ka, pou egzanp, tranble) ak Lè sa a, mouvman an nan wou a pral menm plis enteresan.

ak depo enèji

Eksperyans ki fèt ak wou Maxwell pèmèt nou tire plizyè konklizyon. Ki pi enpòtan nan sa yo se ke transfòmasyon enèji yo trè komen nan lanati. Gen toujou sa yo rele pèt enèji, ki se aktyèlman transfòmasyon nan fòm enèji ki pa itil pou nou nan yon sitiyasyon bay. Pou rezon sa a, efikasite nan machin reyèl, aparèy ak pwosesis se toujou mwens pase 100%. Se poutèt sa li enposib bati yon aparèy ki, yon fwa mete an mouvman, ap deplase pou tout tan san yon rezèv ekstèn nan enèji ki nesesè yo kouvri pèt yo. Malerezman, nan XNUMXyèm syèk la, se pa tout moun ki okouran de sa. Se poutèt sa, de tan zan tan, Biwo Patant Repiblik la Polòy resevwa yon envansyon bouyon nan kalite "Aparèy inivèsèl pou kondwi machin", lè l sèvi avèk enèji "inépuizabl" nan leman (pwobableman k ap pase nan lòt peyi yo tou). Natirèlman, rapò sa yo rejte. Rezon ki fè la se kout: aparèy la pa pral travay epi li pa apwopriye pou itilizasyon endistriyèl (Se poutèt sa pa satisfè kondisyon ki nesesè pou jwenn yon patant), paske li pa konfòme yo ak lwa debaz la nan lanati - prensip la nan konsèvasyon enèji.

Foto 1. Aparans youn nan wou mayetik Maxwell yo.

Lektè yo ka remake kèk analoji ant wou Maxwell a ak jwèt popilè yo rele yo-yo. Nan ka yo-yo a, pèt la nan enèji ranplir pa travay la nan itilizatè a nan jwèt la, ki moun ki ritmik ogmante ak bese fen a anwo nan fisèl la. Li enpòtan tou pou konkli ke yon kò ki gen yon gwo moman inèsi difisil pou vire epi li difisil pou sispann. Se poutèt sa, wou Maxwell a tou dousman pran vitès lè w ap deplase desann epi tou dousman diminye li kòm li ale. Sik yo monte ak desann yo repete tou pou yon tan long anvan wou a finalman sispann. Tout bagay sa a se paske yon gwo enèji sinetik ki estoke nan tankou yon wou. Se poutèt sa, pwojè yo te konsidere pou itilize nan wou ak yon gwo moman nan inèsi ak deja pote nan wotasyon trè vit, kòm yon kalite "akimilatè" nan enèji, ki gen entansyon, pou egzanp, pou mouvman adisyonèl nan machin yo. Nan tan lontan an, volan pwisan yo te itilize nan motè vapè yo bay plis menm wotasyon, e jodi a yo tou se yon pati entegral nan motè otomobil combustion entèn yo.