Elektrodynamikkens viktigste lover i en kortfattet og tilgjengelig form

Betydningen av elektrodynamikk i den moderne verden er først og fremst forbundet med de brede tekniske mulighetene den åpner for overføring av elektrisk energi over langdistanse ledninger, for metoder for distribusjon og konvertering av elektrisitet til andre former, — av mekanisk, termisk, lys, etc.

Generert i kraftverk sendes elektrisk energi over milevis med kraftledninger - til hjem og industrianlegg, der elektromagnetiske krefter driver motorene til diverse utstyr, husholdningsapparater, belysning, oppvarmingsenheter og mer. Med et ord er det umulig å forestille seg en moderne økonomi og ikke et enkelt rom uten stikkontakt på veggen.

Alt dette ble noen gang mulig bare takket være kunnskapen om elektrodynamikkens lover, som gjør det mulig å koble teorien med den praktiske anvendelsen av elektrisitet. I denne artikkelen skal vi se nærmere på fire av de mest praktiske av disse lovene.

Loven om elektromagnetisk induksjon

Loven om elektromagnetisk induksjon er grunnlaget for driften av alle elektriske generatorer installert i kraftverk, og ikke bare. Men det hele startet med en knapt merkbar strøm, oppdaget i 1831 av Michael Faraday i et eksperiment med bevegelsen av en elektromagnet i forhold til en spole.

Da Faraday ble spurt om utsiktene for oppdagelsen hans, sammenlignet han resultatet av eksperimentet med fødselen til et barn som ennå ikke har blitt voksen. Snart ble denne nyfødte en sann helt som forandret ansiktet til hele den siviliserte verden. Se — Praktisk anvendelse av loven om elektromagnetisk induksjon

En generator ved et historisk vannkraftverk i Tyskland

Moderne kraftverksgenerator det er ikke bare en spole med en magnet. Det er en enorm struktur som inneholder stålkonstruksjoner, mange spoler av isolerte kobberskinner, tonnevis med jern, isolasjonsmaterialer, samt et stort antall små deler produsert med presisjon ned til brøkdeler av en millimeter.

I naturen kan man selvsagt ikke finne en så kompleks enhet, men naturen i forsøket viste mennesket hvordan enheten skulle arbeide for å produsere elektrisitet gjennom mekaniske bevegelser under påvirkning av en tilgjengelig ytre kraft.

Elektrisiteten som produseres i kraftverket konverteres, distribueres og omdannes igjen takket være krafttransformatorer, hvis arbeid også er basert på fenomenet elektromagnetisk induksjon, bare en transformator, i motsetning til en generator, inkluderer ikke konstant bevegelige deler i sin design, i stedet inneholder den en magnetisk krets med spoler.

En AC-vikling (primærvikling) virker på den magnetiske kretsen, den magnetiske kretsen virker på sekundærviklingene (transformatorens sekundære viklinger). Elektrisitet fra transformatorens sekundærviklinger distribueres nå til forbrukerne. Alt dette fungerer takket være fenomenet elektromagnetisk induksjon og kunnskapen om den tilsvarende loven om elektrodynamikk, som bærer navnet Faraday.

Den fysiske betydningen av loven om elektromagnetisk induksjon er utseendet til et elektrisk virvelfelt når magnetfeltet endres over tid, noe som skjer nøyaktig i en fungerende transformator.

I praksis, når den magnetiske fluksen som penetrerer overflaten avgrenset av lederen endres, induseres en EMF i lederen, hvis verdi er lik endringshastigheten til den magnetiske fluksen (F), mens tegnet til den induserte EMF er motsatt av hastigheten på den foretatte endringen F. Dette forholdet kalles også "flytregelen":

I tillegg til å direkte endre den magnetiske fluksen som penetrerer sløyfen, er en annen metode for å oppnå en EMF i den mulig, — ved å bruke Lorentz-styrken.

Størrelsen på Lorentz-kraften avhenger, som du vet, av bevegelseshastigheten til ladningen i et magnetfelt, av størrelsen på induksjonen av magnetfeltet og av vinkelen som den gitte ladningen beveger seg i i forhold til induksjonsvektoren av magnetfeltet:

Retningen til Lorentz-kraften for en positiv ladning bestemmes av "venstrehånds"-regelen: hvis du plasserer venstre hånd slik at vektoren for magnetisk induksjon kommer inn i håndflaten, og fire utstrakte fingre plasseres i bevegelsesretningen til den positive ladningen, så vil en tommel bøyd i 90 grader indikere retningen til Lorentz-kraften.

Det enkleste eksemplet på et slikt tilfelle er vist i figuren. Her fører Lorentz-kraften til at den øvre enden av en leder (for eksempel et stykke kobbertråd) som beveger seg i et magnetfelt blir positivt ladet og dens nedre ende negativt ladet, siden elektronene har en negativ ladning og det er de som beveger seg her .

Elektronene vil bevege seg nedover til Coulomb-attraksjonen mellom dem og den positive ladningen på motsatt side av ledningen balanserer Lorentz-kraften.

Denne prosessen forårsaker utseendet av EMF av induksjon i lederen og, som det viste seg, er direkte relatert til loven om elektromagnetisk induksjon. Faktisk kan den elektriske feltstyrken E i ledningen bli funnet som følger (anta at ledningen beveger seg i rette vinkler på vektoren B):

derfor kan EMF for induksjonen uttrykkes som følger:

Det kan bemerkes at i det gitte eksemplet gjennomgår ikke selve magnetfluksen F (som et objekt) endringer i rommet, men ledningen krysser området der den magnetiske fluksen befinner seg, og du kan enkelt beregne arealet som en ledning krysser ved å bevege seg gjennom det området i rommet i løpet av en gitt tid (det vil si endringshastigheten til den magnetiske fluksen nevnt ovenfor).

I det generelle tilfellet har vi rett til å konkludere med at i henhold til «fluksregelen» er EMF i en krets lik endringshastigheten til den magnetiske fluksen gjennom den kretsen, tatt med motsatt fortegn, uavhengig av om verdien av fluksen F endres direkte på grunn av en endring i induksjon av magnetfeltet med tiden ved en fast sløyfe enten som følge av forskyvning (krysser den magnetiske fluksen) eller deformasjon av sløyfen eller begge deler.

Amperes lov

En betydelig del av energien som genereres i kraftverk sendes til bedrifter, hvor motorene til forskjellige metallskjæremaskiner forsynes med strøm. Driften av elektriske motorer er basert på forståelsen til deres designere Amperes lov.

Denne loven ble laget av Andre Marie Ampere i 1820 for likestrømmer (det er ingen tilfeldighet at denne loven også kalles loven om elektriske strømmers samspill).

I følge Amperes lov tiltrekker parallelle ledninger med strøm i samme retning hverandre, og parallelle ledninger med motsatt rettede strømmer frastøter hverandre. I tillegg viser Amperes lov til tommelfingerregelen for å bestemme kraften som et magnetfelt virker på en strømførende leder i et gitt felt.

I en enkel form kan Amperes lov angis som følger: kraften (kalt Amperes kraft) som et magnetfelt virker på et element i en strømførende leder i et magnetfelt er direkte proporsjonal med strømmengden i lederen og vektorproduktet til elementet av lengden av ledningen fra verdien av den magnetiske induksjonen.

Følgelig inneholder uttrykket for å finne modulen til Amperes kraft sinusen til vinkelen mellom den magnetiske induksjonsvektoren og strømvektoren i lederen som denne kraften virker på (for å bestemme retningen til Amperes kraft kan du bruke venstrehåndsregelen ):

Påført to samvirkende ledere vil Amperes kraft virke på hver av dem i en retning avhengig av de respektive retningene til strømmene i disse lederne.

Anta at det er to uendelig lange tynne ledere i vakuum med strøm I1 og I2, og avstanden mellom lederne overalt er lik r.Det er nødvendig å finne Ampere-kraften som virker på en enhetslengde av ledningen (for eksempel på den første ledningen på siden av den andre).

I henhold til Bio-Savart-Laplace-loven, i en avstand r fra en uendelig leder med strøm I2, vil magnetfeltet ha en induksjon:

Nå kan du finne amperekraften som vil virke på den første ledningen som befinner seg på et gitt punkt i magnetfeltet (på et sted med en gitt induksjon):

Ved å integrere dette uttrykket over lengden, og deretter erstatte lengden med ett, får vi amperekraften som virker per lengdeenhet av den første ledningen på siden av den andre. En lignende kraft, bare i motsatt retning, vil virke på den andre ledningen fra siden av den første.

Uten en forståelse av Amperes lov ville det rett og slett vært umulig å kvalitativt designe og sette sammen minst én vanlig elektrisk motor.

Prinsipp for drift og design av den elektriske motoren

Typer av asynkrone elektriske motorer, deres egenskaper

Joule-Lenz-loven

All elektrisk energi overføringslinje, får disse ledningene til å varme opp. I tillegg brukes betydelig elektrisk energi som ment for å drive ulike varmeenheter, varme wolframfilamenter til høye temperaturer, etc. Beregninger av varmeeffekten av elektrisk strøm er basert på Joule-Lenz-loven, oppdaget i 1841 av James Joule og uavhengig i 1842 av Emil Lenz.

Denne loven kvantifiserer den termiske effekten av en elektrisk strøm.Den er formulert som følger: "Kraften til varme som frigjøres per volumenhet (w) av mediet når en likestrøm flyter i det er proporsjonal med produktet av den elektriske strømtettheten (j) med verdien av den elektriske feltstyrken (E) «.

For tynne ledninger brukes lovens integrerte form: "mengden varme som frigjøres per tidsenhet fra en seksjon av kretsen er proporsjonal med produktet av kvadratet av strømmen i den betraktede seksjonen med motstanden til seksjonen. » Det er skrevet i følgende form:

Joule-Lenz-loven er av spesiell praktisk betydning ved overføring av elektrisk energi over langdistanseledninger.

Konklusjonen er at den termiske effekten av strømmen på kraftledningen er uønsket fordi den fører til energitap. Og siden den overførte effekten avhenger lineært av både spenningen og størrelsen på strømmen, mens varmeeffekten er proporsjonal med kvadratet av strømmen, er det fordelaktig å øke spenningen som elektrisitet overføres ved, og redusere strømmen tilsvarende.

Ohms lov

Den grunnleggende loven om elektrisk krets - Ohms lov, oppdaget av Georg Ohm i 1826.… Loven bestemmer forholdet mellom elektrisk spenning og strøm avhengig av den elektriske motstanden eller ledningsevnen (elektrisk ledningsevne) til ledningen. I moderne termer er Ohms lov for en komplett krets skrevet som følger:

r — kildens indre motstand, R — belastningsmotstanden, e — kilden EMF, I — kretsstrøm

Fra denne posten følger det at EMF i en lukket krets som strømmen gitt av kilden flyter vil være lik:

Dette betyr at for en lukket krets er kildens emf lik summen av spenningsfallet til den eksterne kretsen og den indre motstanden til kilden.

Ohms lov er formulert som følger: «strømmen i en del av kretsen er direkte proporsjonal med spenningen i endene og omvendt proporsjonal med den elektriske motstanden til denne delen av kretsen.» En annen notasjon av Ohms lov er ved konduktans G (elektrisk ledningsevne):

Ohms lov for en del av en krets

Anvendelse av Ohms lov i praksis

Hva er spenning, strøm, motstand og hvordan brukes de i praksis