Najpomembnejši zakoni elektrodinamike v jedrnati in dostopni obliki

Pomen elektrodinamike v sodobnem svetu je povezan predvsem s širokimi tehničnimi možnostmi, ki jih odpira za prenos električne energije po žicah na dolge razdalje, za metode distribucije in pretvorbe električne energije v druge oblike, — mehanske, toplotne, svetlobne itd.

Električna energija, proizvedena v elektrarnah, se pošilja po kilometrih daljnovodov — v domove in industrijske objekte, kjer elektromagnetne sile poganjajo motorje različne opreme, gospodinjskih aparatov, razsvetljave, grelnih naprav itd. Z eno besedo, nemogoče si je predstavljati sodobno gospodarstvo in niti eno sobo brez vtičnice na steni.

Vse to je postalo mogoče le zaradi poznavanja zakonov elektrodinamike, ki omogoča povezavo teorije s praktično uporabo elektrike. V tem članku si bomo podrobneje ogledali štiri najbolj praktične izmed teh zakonov.

Zakon elektromagnetne indukcije

Zakon elektromagnetne indukcije je osnova delovanja vseh električnih generatorjev, nameščenih v elektrarnah, in ne samo. A vse se je začelo s komaj opaznim tokom, ki ga je leta 1831 odkril Michael Faraday v poskusu gibanja elektromagneta glede na tuljavo.

Ko so Faradaya vprašali o obetih za njegovo odkritje, je rezultat svojega poskusa primerjal z rojstvom otroka, ki mora še odrasti. Kmalu je ta novorojenček postal pravi junak, ki je spremenil podobo celotnega civiliziranega sveta. Glej — Praktična uporaba zakona elektromagnetne indukcije

Generator v zgodovinski hidroelektrarni v Nemčiji

Generator sodobne elektrarne to ni samo tuljava z magnetom. To je ogromna struktura, ki vsebuje jeklene konstrukcije, številne tuljave izoliranih bakrenih zbiralk, tone železa, izolacijskih materialov, pa tudi veliko število majhnih delov, izdelanih z natančnostjo do delcev milimetra.

V naravi tako zapletene naprave seveda ni mogoče najti, vendar je narava v poskusu človeku pokazala, kako naj naprava deluje, da z mehanskimi gibi pod vplivom razpoložljive zunanje sile proizvaja elektriko.

Električna energija, proizvedena v elektrarni, se pretvarja, distribuira in ponovno pretvarja zahvaljujoč močnostni transformatorji, katerega delo prav tako temelji na pojavu elektromagnetne indukcije, le transformator, za razliko od generatorja, v svoji zasnovi ne vključuje nenehno gibajočih se delov, namesto tega vsebuje magnetno vezje s tuljavami.

AC navitje (primarno navitje) deluje na magnetno vezje, magnetno vezje deluje na sekundarna navitja (sekundarna navitja transformatorja). Električna energija iz sekundarnih navitij transformatorja se zdaj distribuira do porabnikov. Vse to deluje zahvaljujoč pojavu elektromagnetne indukcije in poznavanju pripadajočega zakona elektrodinamike, ki nosi ime Faraday.

Fizični pomen zakona elektromagnetne indukcije je pojav vrtinčnega električnega polja, ko se magnetno polje spreminja skozi čas, kar se zgodi ravno v delujočem transformatorju.

V praksi, ko se spremeni magnetni tok, ki prodira skozi površino, ki jo omejuje prevodnik, se v prevodniku inducira EMF, katerega vrednost je enaka hitrosti spreminjanja magnetnega pretoka (F), medtem ko je predznak induciranega EMF je nasprotna hitrosti opravljene spremembe F. To razmerje imenujemo tudi "pravilo toka":

Poleg neposrednega spreminjanja magnetnega pretoka, ki prodira v zanko, je možen drug način pridobivanja EMF v njem, — z uporabo Lorentzove sile.

Velikost Lorentzove sile je, kot veste, odvisna od hitrosti gibanja naboja v magnetnem polju, od velikosti indukcije magnetnega polja in od kota, pod katerim se dani naboj premika glede na vektor indukcije magnetnega polja:

Smer Lorentzove sile za pozitivni naboj je določena s pravilom "leve roke": če levo roko postavite tako, da vektor magnetne indukcije vstopa v dlan, štiri iztegnjene prste pa postavite v smeri gibanja pozitivnega naboja, bo palec, upognjen pod kotom 90 stopinj, pokazal smer Lorentzove sile.

Najenostavnejši primer takega primera je prikazan na sliki. Tukaj Lorentzova sila povzroči, da zgornji konec prevodnika (recimo kos bakrene žice), ki se giblje v magnetnem polju, postane pozitivno nabit, njegov spodnji del pa negativno nabit, saj imajo elektroni negativen naboj in se tu premikajo .

Elektroni se bodo premikali navzdol, dokler Coulombova privlačnost med njimi in pozitivnim nabojem na nasprotni strani žice ne uravnovesita Lorentzove sile.

Ta proces povzroča pojav EMF indukcije v prevodniku in, kot se je izkazalo, je neposredno povezan z zakonom elektromagnetne indukcije. Pravzaprav je električno poljsko jakost E v žici mogoče najti na naslednji način (predpostavimo, da se žica giblje pravokotno na vektor B):

zato lahko EMF indukcije izrazimo na naslednji način:

Opazimo lahko, da se v danem primeru sam magnetni tok F (kot objekt) ne spreminja v prostoru, ampak žica prečka območje, kjer se nahaja magnetni tok, in enostavno lahko izračunate območje, ki ga žica prečka s premikanjem skozi to območje prostora v določenem času (to je hitrost spremembe zgoraj omenjenega magnetnega pretoka).

V splošnem primeru lahko sklepamo, da je po "pravilu pretoka" EMF v vezju enaka hitrosti spremembe magnetnega pretoka skozi to vezje, vzeto z nasprotnim predznakom, ne glede na to, ali je vrednost tok F se neposredno spremeni zaradi spremembe indukcije magnetnega polja s časom pri fiksni zanki bodisi kot posledica premika (prečkanje magnetnega pretoka) ali deformacije zanke ali obojega.

Amperov zakon

Pomemben del energije, proizvedene v elektrarnah, se pošlje podjetjem, kjer se z električno energijo napajajo motorji različnih strojev za rezanje kovin. Delovanje elektromotorjev temelji na razumevanju njihovih konstruktorjev Amperov zakon.

Ta zakon je ustvaril Andre Marie Ampere leta 1820 za enosmerne tokove (ni naključje, da se ta zakon imenuje tudi zakon interakcije električnih tokov).

Po Amperovem zakonu se vzporedne žice s tokovi v isti smeri privlačijo, vzporedne žice z nasprotno usmerjenimi tokovi pa se odbijajo. Poleg tega se Amperov zakon nanaša na praktično pravilo za določanje sile, s katero magnetno polje deluje na prevodnik s tokom v danem polju.

V preprosti obliki lahko Amperov zakon navedemo takole: sila (imenovana Amperova sila), s katero magnetno polje deluje na element prevodnika s tokom v magnetnem polju, je premo sorazmerna z jakostjo toka v prevodniku. in vektorski produkt elementa dolžine žice z vrednostjo magnetne indukcije.

V skladu s tem izraz za iskanje modula Amperove sile vsebuje sinus kota med vektorjem magnetne indukcije in tokovnim vektorjem v prevodniku, na katerega ta sila deluje (za določitev smeri Amperove sile lahko uporabite pravilo leve roke ):

Če uporabimo dva medsebojno delujoča prevodnika, bo Amperova sila delovala na vsakega od njih v smeri, ki je odvisna od ustreznih smeri tokov v teh prevodnikih.

Recimo, da sta v vakuumu dva neskončno dolga tanka vodnika s tokovoma I1 in I2, razdalja med vodnikoma pa je povsod enaka r.Treba je najti Amperovo silo, ki deluje na enoto dolžine žice (na primer na prvo žico na strani druge).

Po zakonu Bio-Savart-Laplace, na razdalji r od neskončnega prevodnika s tokom I2 bo imelo magnetno polje indukcijo:

Zdaj lahko najdete Amperovo silo, ki bo delovala na prvo žico, ki se nahaja na dani točki v magnetnem polju (na mestu z dano indukcijo):

Če ta izraz integriramo po dolžini in nato dolžino nadomestimo z eno, dobimo ampersko silo, ki deluje na enoto dolžine prve žice na strani druge. Podobna sila, le v nasprotni smeri, bo delovala na drugo žico s strani prve.

Brez razumevanja Amperovega zakona bi bilo preprosto nemogoče kakovostno oblikovati in sestaviti vsaj en običajen elektromotor.

Načelo delovanja in zasnova elektromotorja

Vrste asinhronih elektromotorjev, njihove značilnosti

Joule-Lenzov zakon

Vsa električna energija daljnovod, povzroči segrevanje teh žic. Poleg tega se veliko električne energije porabi za napajanje različnih grelnih naprav, za segrevanje volframovih filamentov na visoke temperature itd. Izračuni toplotnega učinka električnega toka temeljijo na zakonu Joule-Lenz, ki ga je leta 1841 odkril James Joule in neodvisno leta 1842 Emil Lenz.

Ta zakon kvantificira toplotni učinek električnega toka.Formulirano je takole: "Moč toplote, ki se sprosti na enoto prostornine (w) medija, ko v njem teče enosmerni električni tok, je sorazmerna zmnožku gostote električnega toka (j) z vrednostjo električne poljske jakosti (E) «.

Za tanke žice se uporablja integralna oblika zakona: "količina toplote, sproščene na enoto časa iz odseka tokokroga, je sorazmerna produktu kvadrata toka v obravnavanem odseku z uporom odseka. » Zapisano je v naslednji obliki:

Joule-Lenzov zakon je posebnega praktičnega pomena pri prenosu električne energije po žicah na dolge razdalje.

Zaključek je, da toplotni učinek toka na daljnovod ni zaželen, ker povzroča izgube energije. In ker je prenesena moč linearno odvisna tako od napetosti kot od velikosti toka, medtem ko je grelna moč sorazmerna s kvadratom toka, je koristno povečati napetost, pri kateri se prenaša električna energija, in ustrezno zmanjšati tok.

Ohmov zakon

Osnovni zakon električnega tokokroga - Ohmov zakon, ki ga je leta 1826 odkril Georg Ohm.… Zakon določa razmerje med električno napetostjo in tokom glede na električni upor oziroma prevodnost (električno prevodnost) žice. V sodobnem smislu je Ohmov zakon za celotno vezje zapisan takole:

r — notranji upor vira, R — upor obremenitve, e — EMF vira, I — tok vezja

Iz tega zapisa sledi, da bo EMF v zaprtem krogu, skozi katerega teče tok, ki ga daje vir, enak:

To pomeni, da je za zaprt tokokrog vir EMF enak vsoti padca napetosti zunanjega tokokroga in notranjega upora vira.

Ohmov zakon je formuliran na naslednji način: "tok v odseku vezja je neposredno sorazmeren z napetostjo na njegovih koncih in obratno sorazmeren z električnim uporom tega odseka vezja." Druga oznaka Ohmovega zakona je prevodnost G (električna prevodnost):

Ohmov zakon za odsek vezja

Uporaba Ohmovega zakona v praksi

Kaj so napetost, tok, upor in kako se uporabljajo v praksi