Elektrodynamikkens vigtigste love i en kortfattet og tilgængelig form

Elektrodynamikkens betydning i den moderne verden er primært forbundet med de brede tekniske muligheder, den åbner for transmission af elektrisk energi over langdistanceledninger, for metoder til distribution og konvertering af elektricitet til andre former, — af mekanisk, termisk, lys mv.

Genereret i kraftværker sendes elektrisk energi over miles af elledninger - til boliger og industrianlæg, hvor elektromagnetiske kræfter driver motorerne til forskelligt udstyr, husholdningsapparater, belysning, varmeapparater og meget mere. Med et ord er det umuligt at forestille sig en moderne økonomi og ikke et enkelt værelse uden en stikkontakt på væggen.

Alt dette blev nogensinde kun muligt takket være viden om elektrodynamikkens love, som gør det muligt at forbinde teorien med den praktiske anvendelse af elektricitet. I denne artikel vil vi se nærmere på fire af de mest praktiske af disse love.

Loven om elektromagnetisk induktion

Loven om elektromagnetisk induktion er grundlaget for driften af ​​alle elektriske generatorer installeret i kraftværker, og ikke kun. Men det hele startede med en knap mærkbar strøm, opdaget i 1831 af Michael Faraday i et eksperiment med en elektromagnets bevægelse i forhold til en spole.

Da Faraday blev spurgt om udsigterne for sin opdagelse, sammenlignede han resultatet af sit eksperiment med fødslen af ​​et barn, der endnu ikke er blevet voksen. Snart blev denne nyfødte en sand helt, der ændrede hele den civiliserede verdens ansigt. Se — Praktisk anvendelse af loven om elektromagnetisk induktion

En generator på et historisk vandkraftværk i Tyskland

Moderne kraftværksgenerator det er ikke bare en spole med en magnet. Det er en enorm konstruktion indeholdende stålkonstruktioner, mange spoler af isolerede kobberskinne, tonsvis af jern, isoleringsmaterialer, samt en lang række små dele fremstillet med præcision ned til brøkdele af en millimeter.

I naturen kan et så komplekst apparat naturligvis ikke findes, men naturen viste i forsøget mennesket, hvordan apparatet skulle arbejde for at producere elektricitet gennem mekaniske bevægelser under påvirkning af en tilgængelig ydre kraft.

Den elektricitet, der produceres i kraftværket, omdannes, distribueres og omdannes igen takket være krafttransformatorer, hvis arbejde også er baseret på fænomenet elektromagnetisk induktion, kun en transformer, i modsætning til en generator, inkluderer ikke konstant bevægelige dele i sit design, i stedet indeholder den et magnetisk kredsløb med spoler.

En AC-vikling (primærvikling) virker på det magnetiske kredsløb, det magnetiske kredsløb virker på de sekundære viklinger (transformatorens sekundære viklinger). Elektricitet fra transformatorens sekundære viklinger distribueres nu til forbrugerne. Alt dette virker takket være fænomenet elektromagnetisk induktion og kendskabet til den tilsvarende lov om elektrodynamik, som bærer navnet Faraday.

Den fysiske betydning af loven om elektromagnetisk induktion er udseendet af et elektrisk hvirvelfelt, når det magnetiske felt ændres over tid, hvilket sker nøjagtigt i en fungerende transformer.

I praksis, når den magnetiske flux, der trænger ind i overfladen afgrænset af lederen, ændres, induceres en EMF i lederen, hvis værdi er lig med ændringshastigheden af ​​den magnetiske flux (F), mens tegnet for den inducerede EMF er modsat hastigheden af ​​den foretagne ændring F. Dette forhold kaldes også "flow-reglen":

Ud over direkte at ændre den magnetiske flux, der trænger gennem sløjfen, er en anden metode til at opnå en EMF i den mulig, — ved at bruge Lorentz-styrken.

Størrelsen af ​​Lorentz-kraften afhænger som bekendt af ladningens bevægelseshastighed i et magnetfelt, af størrelsen af ​​magnetfeltets induktion og af den vinkel, hvormed den givne ladning bevæger sig i forhold til induktionsvektoren af magnetfeltet:

Retningen af ​​Lorentz-kraften for en positiv ladning bestemmes af "venstrehånds"-reglen: Hvis du placerer din venstre hånd, så vektoren af ​​magnetisk induktion kommer ind i håndfladen, og fire udstrakte fingre placeres i bevægelsesretningen af den positive ladning, så vil en tommelfinger bøjet i 90 grader angive retningen af ​​Lorentz-kraften.

Det enkleste eksempel på et sådant tilfælde er vist i figuren. Her får Lorentz-kraften den øverste ende af en leder (f.eks. et stykke kobbertråd), der bevæger sig i et magnetfelt, til at blive positivt ladet og dens nedre ende negativt ladet, da elektroner har en negativ ladning, og det er dem, der bevæger sig her .

Elektronerne vil bevæge sig ned, indtil Coulomb-tiltrækningen mellem dem og den positive ladning på den modsatte side af ledningen balancerer Lorentz-kraften.

Denne proces forårsager udseendet af EMF af induktion i lederen og, som det viste sig, er direkte relateret til loven om elektromagnetisk induktion. Faktisk kan den elektriske feltstyrke E i ledningen findes som følger (antag, at ledningen bevæger sig vinkelret på vektoren B):

derfor kan induktionens EMF udtrykkes som følger:

Det kan bemærkes, at i det givne eksempel undergår selve den magnetiske flux F (som et objekt) ikke ændringer i rummet, men ledningen krydser det område, hvor den magnetiske flux er placeret, og man kan nemt beregne det areal, som en ledning krydser. ved at bevæge sig gennem det område af rummet i løbet af en given tid (det vil sige ændringshastigheden af ​​den magnetiske flux nævnt ovenfor).

I det generelle tilfælde er vi berettiget til at konkludere, at ifølge «fluxreglen» er EMF i et kredsløb lig med ændringshastigheden af ​​den magnetiske flux gennem det kredsløb taget med det modsatte fortegn, uanset om værdien af fluxen F ændres direkte på grund af en ændring i induktion af magnetfeltet med tiden ved en fast sløjfe enten som følge af forskydning (krydsning af den magnetiske flux) eller deformation af sløjfen eller begge dele.

Amperes lov

En væsentlig del af den energi, der genereres i kraftværker, sendes til virksomheder, hvor motorerne i forskellige metalskæremaskiner forsynes med elektricitet. Driften af ​​elektriske motorer er baseret på deres designeres forståelse Amperes lov.

Denne lov blev skabt af Andre Marie Ampere i 1820 for jævnstrøm (det er ikke tilfældigt, at denne lov også kaldes loven om vekselvirkning mellem elektriske strømme).

Ifølge Amperes lov tiltrækker parallelle ledninger med strømme i samme retning hinanden, og parallelle ledninger med modsat rettede strømme frastøder hinanden. Derudover henviser Amperes lov til tommelfingerreglen for at bestemme den kraft, hvormed et magnetfelt virker på en strømførende leder i et givet felt.

I en simpel form kan Amperes lov angives således: kraften (kaldet Amperes kraft), hvormed et magnetfelt virker på et element i en strømførende leder i et magnetfelt, er direkte proportional med strømmængden i lederen og vektorproduktet af elementet af ledningens længde fra værdien af ​​den magnetiske induktion.

Følgelig indeholder udtrykket for at finde modulet for Amperes kraft sinus af vinklen mellem den magnetiske induktionsvektor og strømvektoren i den leder, som denne kraft virker på (for at bestemme retningen af ​​Amperes kraft kan du bruge venstrehåndsreglen ):

Påført to interagerende ledere vil Amperes kraft virke på hver af dem i en retning afhængig af de respektive retninger af strømmene i disse ledere.

Antag, at der er to uendeligt lange tynde ledere i vakuum med strøm I1 og I2, og afstanden mellem lederne overalt er lig med r.Det er nødvendigt at finde Ampere-kraften, der virker på en enhedslængde af ledningen (for eksempel på den første ledning på siden af ​​den anden).

I henhold til Bio-Savart-Laplace-loven, i en afstand r fra en uendelig leder med strøm I2, vil magnetfeltet have en induktion:

Nu kan du finde Ampere-kraften, der vil virke på den første ledning placeret på et givet punkt i magnetfeltet (på et sted med en given induktion):

Ved at integrere dette udtryk over længden og derefter erstatte længden med ét, får vi den ampere-kraft, der virker pr. længdeenhed af den første ledning på siden af ​​den anden. En lignende kraft, kun i den modsatte retning, vil virke på den anden ledning fra siden af ​​den første.

Uden en forståelse af Amperes lov ville det simpelthen være umuligt kvalitativt at designe og samle mindst én normal elektrisk motor.

Princip for drift og design af den elektriske motor

Typer af asynkrone elektriske motorer, deres egenskaber

Joule-Lenz-loven

Al elektrisk energi transmissionslinje, får disse ledninger til at varme op. Derudover bruges betydelig elektrisk energi som beregnet til at drive forskellige varmeapparater, til at opvarme wolframfilamenter til høje temperaturer osv. Beregninger af elektrisk strøms opvarmningseffekt er baseret på Joule-Lenz-loven, opdaget i 1841 af James Joule og selvstændigt i 1842 af Emil Lenz.

Denne lov kvantificerer den termiske effekt af en elektrisk strøm.Det er formuleret som følger: "Varmeeffekten, der frigives pr. volumenhed (w) af mediet, når der strømmer en jævnstrøm i det, er proportional med produktet af den elektriske strømtæthed (j) med værdien af ​​den elektriske feltstyrke (E) «.

For tynde ledninger bruges lovens integrale form: "mængden af ​​varme, der frigives pr. tidsenhed fra en sektion af kredsløbet, er proportional med produktet af kvadratet af strømmen i den betragtede sektion ved sektionens modstand. »Det er skrevet i følgende form:

Joule-Lenz-loven er af særlig praktisk betydning ved transmission af elektrisk energi over langdistanceledninger.

Konklusionen er, at den termiske effekt af strømmen på elledningen er uønsket, fordi den fører til energitab. Og da den transmitterede effekt afhænger lineært af både spændingen og størrelsen af ​​strømmen, mens varmeeffekten er proportional med strømmens kvadrat, er det fordelagtigt at øge spændingen, hvormed elektriciteten transmitteres, og reducere strømmen tilsvarende.

Ohms lov

Den grundlæggende lov om elektriske kredsløb - Ohms lov, opdaget af Georg Ohm i 1826.… Loven bestemmer forholdet mellem elektrisk spænding og strøm afhængigt af ledningens elektriske modstand eller ledningsevne (elektrisk ledningsevne). I moderne termer er Ohms lov for et komplet kredsløb skrevet som følger:

r — kildens indre modstand, R — belastningsmodstanden, e — kilden EMF, I — kredsløbsstrøm

Fra denne post følger det, at EMF i et lukket kredsløb, gennem hvilket strømmen givet af kilden flyder, vil være lig med:

Det betyder, at for et lukket kredsløb er kildens emk lig med summen af ​​spændingsfaldet i det eksterne kredsløb og kildens indre modstand.

Ohms lov er formuleret som følger: «strømmen i en del af kredsløbet er direkte proportional med spændingen ved dens ender og omvendt proportional med den elektriske modstand i denne del af kredsløbet.» En anden notation af Ohms lov er ved konduktans G (elektrisk ledningsevne):

Ohms lov for en del af et kredsløb

Anvendelse af Ohms lov i praksis

Hvad er spænding, strøm, modstand og hvordan bruges de i praksis