Elektrodynamikens viktigaste lagar i en kortfattad och tillgänglig form

Elektrodynamikens betydelse i den moderna världen är främst förknippad med de breda tekniska möjligheter den öppnar för överföring av elektrisk energi över långväga ledningar, för metoder för distribution och omvandling av elektricitet till andra former, — av mekanisk, termisk, lätt, etc.

Genererad i kraftverk skickas elektrisk energi över miles av kraftledningar - till hem och industrianläggningar, där elektromagnetiska krafter driver motorerna till olika utrustningar, hushållsapparater, belysning, värmeanordningar och mer. Med ett ord är det omöjligt att föreställa sig en modern ekonomi och inte ett enda rum utan ett uttag på väggen.

Allt detta blev någonsin möjligt endast tack vare kunskapen om elektrodynamikens lagar, vilket gör det möjligt att koppla ihop teorin med den praktiska tillämpningen av elektricitet. I den här artikeln kommer vi att titta närmare på fyra av de mest praktiska av dessa lagar.

Lagen om elektromagnetisk induktion

Lagen om elektromagnetisk induktion är grunden för driften av alla elektriska generatorer installerade i kraftverk, och inte bara. Men allt började med en knappt märkbar ström, upptäckt 1831 av Michael Faraday i ett experiment med en elektromagnets rörelse i förhållande till en spole.

När Faraday fick frågan om utsikterna för hans upptäckt jämförde han resultatet av sitt experiment med födelsen av ett barn som ännu inte har vuxit upp. Snart blev denna nyfödda en sann hjälte som förändrade hela den civiliserade världens ansikte. Se — Praktisk tillämpning av lagen om elektromagnetisk induktion

En generator vid ett historiskt vattenkraftverk i Tyskland

Modern kraftverksgenerator det är inte bara en spole med en magnet. Det är en enorm struktur som innehåller stålkonstruktioner, många spolar av isolerade kopparskenor, ton järn, isoleringsmaterial, samt ett stort antal smådelar tillverkade med precision ner till bråkdelar av en millimeter.

I naturen kan man förstås inte hitta en så komplex anordning, men naturen visade i experimentet människan hur anordningen skulle fungera för att producera elektricitet genom mekaniska rörelser under påverkan av en tillgänglig yttre kraft.

Elen som genereras i kraftverket omvandlas, distribueras och omvandlas igen tack vare krafttransformatorer, vars arbete också är baserat på fenomenet elektromagnetisk induktion, innehåller endast en transformator, till skillnad från en generator, inte ständigt rörliga delar i sin design, istället innehåller den en magnetisk krets med spolar.

En AC-lindning (primärlindning) verkar på magnetkretsen, magnetkretsen verkar på sekundärlindningarna (transformatorns sekundära lindningar). El från transformatorns sekundärlindningar distribueras nu till konsumenterna. Allt detta fungerar tack vare fenomenet elektromagnetisk induktion och kunskapen om motsvarande lag för elektrodynamik, som bär namnet Faraday.

Den fysiska innebörden av lagen om elektromagnetisk induktion är uppkomsten av ett elektriskt virvelfält när magnetfältet förändras över tiden, vilket sker exakt i en fungerande transformator.

I praktiken, när det magnetiska flödet som penetrerar ytan som begränsas av ledaren ändras, induceras en EMF i ledaren, vars värde är lika med förändringshastigheten för det magnetiska flödet (F), medan tecknet på den inducerade EMF är motsatt hastigheten för den gjorda ändringen F. Detta förhållande kallas också "flödesregeln":

Förutom att direkt ändra det magnetiska flödet som penetrerar slingan, är en annan metod för att erhålla en EMF i den möjlig, — med hjälp av Lorentz-styrkan.

Storleken på Lorentz-kraften beror som du vet på laddningens rörelsehastighet i ett magnetfält, på storleken på magnetfältets induktion och på vinkeln med vilken den givna laddningen rör sig i förhållande till induktionsvektorn av magnetfältet:

Riktningen för Lorentz-kraften för en positiv laddning bestäms av "vänsterhands"-regeln: om du placerar din vänstra hand så att vektorn för magnetisk induktion kommer in i handflatan och fyra utsträckta fingrar placeras i rörelseriktningen för den positiva laddningen, då kommer en tumme böjd i 90 grader att indikera riktningen för Lorentz-kraften.

Det enklaste exemplet på ett sådant fall visas i figuren. Här gör Lorentz-kraften att den övre änden av en ledare (säg en bit koppartråd) som rör sig i ett magnetfält blir positivt laddad och dess nedre ände negativt laddad, eftersom elektroner har en negativ laddning och det är de som rör sig här .

Elektronerna kommer att röra sig ner tills Coulomb-attraktionen mellan dem och den positiva laddningen på motsatta sidan av tråden balanserar Lorentz-kraften.

Denna process orsakar uppkomsten av EMF av induktion i ledaren och, som det visade sig, är direkt relaterad till lagen om elektromagnetisk induktion. I själva verket kan den elektriska fältstyrkan E i tråden hittas enligt följande (antag att tråden rör sig i rät vinkel mot vektorn B):

därför kan induktionens EMF uttryckas enligt följande:

Det kan noteras att i det givna exemplet genomgår själva magnetflödet F (som ett objekt) inga förändringar i rymden, utan tråden korsar området där det magnetiska flödet finns, och du kan enkelt beräkna arean som en tråd korsar genom att röra sig genom det området i rymden under en given tid (det vill säga förändringshastigheten för det magnetiska flödet som nämns ovan).

I det allmänna fallet har vi rätt att dra slutsatsen att enligt «flödesregeln» är EMF i en krets lika med förändringshastigheten för det magnetiska flödet genom den kretsen, taget med motsatt tecken, oavsett om värdet av flödet F ändras direkt på grund av en förändring i induktionen av magnetfältet med tiden vid en fixerad slinga antingen som ett resultat av förskjutning (korsar det magnetiska flödet) eller deformation av slingan eller båda.

Amperes lag

En betydande del av energin som genereras i kraftverk skickas till företag, där motorerna i olika metallskärmaskiner förses med elektricitet. Driften av elmotorer är baserad på deras designers förståelse Amperes lag.

Denna lag skapades av Andre Marie Ampere 1820 för likströmmar (det är ingen slump att denna lag också kallas lagen om elektriska strömmars växelverkan).

Enligt Amperes lag attraherar parallella ledningar med strömmar i samma riktning varandra, och parallella ledningar med motsatt riktade strömmar stöter bort varandra. Dessutom hänvisar Amperes lag till tumregeln för att bestämma kraften med vilken ett magnetfält verkar på en strömförande ledare i ett givet fält.

I en enkel form kan Amperes lag uttryckas enligt följande: kraften (kallad Amperes kraft) med vilken ett magnetfält verkar på ett element i en strömförande ledare i ett magnetfält är direkt proportionell mot mängden ström i ledaren och vektorprodukten av elementet av längden av tråden från värdet av den magnetiska induktionen.

Följaktligen innehåller uttrycket för att hitta modulen för Amperes kraft sinus för vinkeln mellan den magnetiska induktionsvektorn och strömvektorn i ledaren som denna kraft verkar på (för att bestämma riktningen för Amperes kraft kan du använda vänsterhandsregeln ):

Applicerad på två samverkande ledare kommer Amperes kraft att verka på var och en av dem i en riktning som beror på respektive riktning för strömmarna i dessa ledare.

Antag att det finns två oändligt långa tunna ledare i vakuum med strömmarna I1 och I2, och att avståndet mellan ledarna överallt är lika med r.Det är nödvändigt att hitta Amperekraften som verkar på en enhetslängd av tråden (till exempel på den första tråden på sidan av den andra).

Enligt lagen om Bio-Savart-Laplace, på ett avstånd r från en oändlig ledare med ström I2, kommer magnetfältet att ha en induktion:

Nu kan du hitta Amperekraften som kommer att verka på den första tråden som ligger vid en given punkt i magnetfältet (på en plats med en given induktion):

Genom att integrera detta uttryck över längden och sedan ersätta längden med ett, får vi den amperekraft som verkar per längdenhet av den första tråden på sidan av den andra. En liknande kraft, bara i motsatt riktning, kommer att verka på den andra tråden från sidan av den första.

Utan en förståelse av Amperes lag skulle det helt enkelt vara omöjligt att kvalitativt designa och montera åtminstone en normal elmotor.

Princip för drift och design av elmotorn

Typer av asynkrona elmotorer, deras egenskaper

Joule-Lenz lagen

All elektrisk energi transmissionsledning, gör att dessa ledningar värms upp. Dessutom används betydande elektrisk energi för att driva olika uppvärmningsanordningar, för att värma volframfilament till höga temperaturer, etc. Beräkningar av uppvärmningseffekten av elektrisk ström är baserade på Joule-Lenz-lagen, upptäckt 1841 av James Joule och oberoende 1842 av Emil Lenz.

Denna lag kvantifierar den termiska effekten av en elektrisk ström.Den är formulerad enligt följande: "Kraften av värme som frigörs per volymenhet (w) av mediet när en elektrisk likström flyter i det är proportionell mot produkten av den elektriska strömdensiteten (j) med värdet av den elektriska fältstyrkan (E) «.

För tunna ledningar används den integrerade formen av lagen: "mängden värme som frigörs per tidsenhet från en sektion av kretsen är proportionell mot produkten av kvadraten av strömmen i den betraktade sektionen av sektionens motstånd. » Det är skrivet i följande form:

Joule-Lenz-lagen är av särskild praktisk betydelse vid överföring av elektrisk energi över långväga ledningar.

Slutsatsen är att den termiska effekten av strömmen på kraftledningen är oönskad eftersom den leder till energiförluster. Och eftersom den överförda effekten beror linjärt på både spänningen och storleken på strömmen, medan värmeeffekten är proportionell mot kvadraten på strömmen, är det fördelaktigt att öka spänningen vid vilken elektricitet överförs och minska strömmen i enlighet därmed.

Ohms lag

Den grundläggande lagen för elektrisk krets - Ohms lag, upptäckt av Georg Ohm 1826.… Lagen bestämmer förhållandet mellan elektrisk spänning och ström beroende på det elektriska motståndet eller konduktiviteten (elektrisk konduktivitet) hos tråden. I moderna termer är Ohms lag för en komplett krets skriven enligt följande:

r — källans inre resistans, R — belastningsresistansen, e — källans EMF, I — kretsström

Av denna post följer att EMF i en sluten krets genom vilken strömmen som ges av källan flyter kommer att vara lika med:

Detta betyder att för en sluten krets är källans emk lika med summan av den externa kretsens spänningsfall och källans inre resistans.

Ohms lag är formulerad enligt följande: «strömmen i en del av kretsen är direkt proportionell mot spänningen vid dess ändar och omvänt proportionell mot den elektriska resistansen i denna del av kretsen.» En annan notation av Ohms lag är genom konduktans G (elektrisk konduktivitet):

Ohms lag för en del av en krets

Tillämpning av Ohms lag i praktiken

Vad är spänning, ström, resistans och hur används de i praktiken