Cele mai importante legi ale electrodinamicii într-o formă concisă și accesibilă

Importanța electrodinamicii în lumea modernă este asociată în primul rând cu posibilitățile tehnice largi pe care le deschide pentru transmiterea energiei electrice prin fire la distanță lungă, pentru metodele de distribuție și conversie a energiei electrice în alte forme; de mecanică, termică, luminoasă etc.

Generată în centrale electrice, energia electrică este trimisă pe kilometri de linii electrice - către case și unități industriale, unde forțele electromagnetice antrenează motoarele diferitelor echipamente, aparate de uz casnic, iluminat, dispozitive de încălzire și multe altele. Într-un cuvânt, este imposibil să ne imaginăm o economie modernă și nu o singură cameră fără priză pe perete.

Toate acestea au devenit posibile doar datorită cunoașterii legilor electrodinamicii, care permite conectarea teoriei cu aplicarea practică a electricității. În acest articol, vom arunca o privire mai atentă la patru dintre cele mai practice dintre aceste legi.

Legea inducției electromagnetice

Legea inducției electromagnetice stă la baza funcționării tuturor generatoarelor electrice instalate în centralele electrice, și nu numai. Dar totul a început cu un curent abia vizibil, descoperit în 1831 de Michael Faraday într-un experiment cu mișcarea unui electromagnet în raport cu o bobină.

Când Faraday a fost întrebat despre perspectivele descoperirii sale, el a comparat rezultatul experimentului său cu nașterea unui copil care nu a crescut încă. Curând, acest nou-născut a devenit un adevărat erou care a schimbat fața întregii lumi civilizate. Vezi - Aplicarea practică a legii inducției electromagnetice

Un generator la o hidrocentrală istorică din Germania

Generator de centrală modernă nu este doar o bobină cu magnet. Este o structură uriașă care conține structuri de oțel, multe bobine de bare colectoare izolate din cupru, tone de fier, materiale izolante, precum și un număr mare de piese mici fabricate cu precizie până la fracțiuni de milimetru.

În natură, desigur, un astfel de dispozitiv complex nu poate fi găsit, dar natura în experiment a arătat omului cum ar trebui să funcționeze dispozitivul pentru a produce electricitate prin mișcări mecanice sub influența unei forțe externe disponibile.

Electricitatea generată în centrală este convertită, distribuită și reconvertită datorită transformatoare de putere, a cărui activitate se bazează și pe fenomenul inducției electromagnetice, doar un transformator, spre deosebire de un generator, nu include piese în mișcare constantă în proiectarea sa, în schimb conține un circuit magnetic cu bobine.

O înfășurare AC (înfășurare primară) acționează asupra circuitului magnetic, circuitul magnetic acționează asupra înfășurărilor secundare (înfășurările secundare ale transformatorului). Electricitatea din înfășurările secundare ale transformatorului este acum distribuită consumatorilor. Toate acestea funcționează datorită fenomenului de inducție electromagnetică și cunoașterii legii corespunzătoare a electrodinamicii, care poartă numele de Faraday.

Sensul fizic al legii inducției electromagnetice este apariția unui câmp electric turbionar atunci când câmpul magnetic se modifică în timp, ceea ce se întâmplă exact într-un transformator de lucru.

În practică, atunci când fluxul magnetic care pătrunde în suprafața delimitată de conductor se modifică, în conductor este indus un EMF, a cărui valoare este egală cu rata de modificare a fluxului magnetic (F), în timp ce semnul EMF indus este opusă ratei modificării efectuate F. Această relație este numită și „regula fluxului”:

Pe lângă schimbarea directă a fluxului magnetic care pătrunde în buclă, este posibilă o altă metodă de obținere a unui EMF în ea, - folosind forța Lorentz.

Mărimea forței Lorentz, după cum știți, depinde de viteza de mișcare a sarcinii într-un câmp magnetic, de mărimea inducției câmpului magnetic și de unghiul la care sarcina dată se mișcă în raport cu vectorul de inducție. a campului magnetic:

Direcția forței Lorentz pentru o sarcină pozitivă este determinată de regula „mânei stângi”: dacă poziționați mâna stângă astfel încât vectorul inducției magnetice să intre în palmă și patru degete întinse sunt plasate în direcția de mișcare a sarcina pozitivă, apoi degetul mare îndoit la 90 de grade va indica direcția forței Lorentz.

Cel mai simplu exemplu al unui astfel de caz este prezentat în figură. Aici, forța Lorentz face ca capătul superior al unui conductor (de exemplu, o bucată de sârmă de cupru) care se mișcă într-un câmp magnetic să devină încărcat pozitiv, iar capătul său inferior să fie încărcat negativ, deoarece electronii au o sarcină negativă și ei sunt cei care se mișcă aici. .

Electronii se vor mișca în jos până când atracția Coulomb dintre ei și sarcina pozitivă de pe partea opusă a firului echilibrează forța Lorentz.

Acest proces provoacă apariția EMF de inducție în conductor și, după cum s-a dovedit, este direct legat de legea inducției electromagnetice. De fapt, intensitatea câmpului electric E în fir poate fi găsită după cum urmează (presupunem că firul se mișcă în unghi drept cu vectorul B):

prin urmare, EMF al inducției poate fi exprimată după cum urmează:

Se poate observa că, în exemplul dat, fluxul magnetic F însuși (ca obiect) nu suferă modificări în spațiu, dar firul traversează zona în care se află fluxul magnetic și puteți calcula cu ușurință aria pe care o traversează un fir. prin deplasarea prin acea regiune a spațiului într-un timp dat (adică rata de schimbare a fluxului magnetic menționat mai sus).

În cazul general, suntem îndreptățiți să concluzionăm că conform „regula fluxului” EMF într-un circuit este egal cu viteza de modificare a fluxului magnetic prin acel circuit, luată cu semnul opus, indiferent dacă valoarea lui fluxul F se modifică direct datorită unei modificări a inducției câmpului magnetic cu timpul la o buclă fixă ​​fie ca urmare a deplasării (încrucișarea fluxului magnetic), fie ca urmare a deformării buclei sau ambelor.

Legea lui Ampere

O parte semnificativă din energia generată în centralele electrice este trimisă întreprinderilor, unde motoarele diferitelor mașini de tăiat metale sunt alimentate cu energie electrică. Funcționarea motoarelor electrice se bazează pe înțelegerea proiectanților lor Legea lui Ampere.

Această lege a fost creată de Andre Marie Ampere în 1820 pentru curenții continui (nu întâmplător această lege se mai numește și legea interacțiunii curenților electrici).

Conform legii lui Ampere, firele paralele cu curenți în aceeași direcție se atrag reciproc, iar firele paralele cu curenți direcționați opus se resping reciproc. În plus, legea lui Ampere se referă la regula generală pentru determinarea forței cu care un câmp magnetic acționează asupra unui conductor care poartă curent într-un anumit câmp.

Într-o formă simplă, legea lui Ampere poate fi enunțată după cum urmează: forța (numită forța lui Ampere) cu care un câmp magnetic acționează asupra unui element al unui conductor purtător de curent într-un câmp magnetic este direct proporțională cu cantitatea de curent din conductor. iar produsul vectorial al elementului lungimii firului din valoarea inducției magnetice.

În consecință, expresia pentru găsirea modulului forței lui Ampere conține sinusul unghiului dintre vectorul de inducție magnetică și vectorul curent din conductorul asupra căruia acționează această forță (pentru a determina direcția forței lui Ampere, puteți folosi regula mâinii stângi ):

Aplicată la doi conductori care interacționează, forța lui Ampere va acționa asupra fiecăruia dintre aceștia într-o direcție dependentă de direcțiile respective ale curenților din acei conductori.

Să presupunem că există doi conductori subțiri infinit de lungi în vid cu curenții I1 și I2, iar distanța dintre conductorii de peste tot este egală cu r.Este necesar să găsiți forța Ampere care acționează asupra unei unități de lungime a firului (de exemplu, pe primul fir de pe partea celui de-al doilea).

Conform legii Bio-Savart-Laplace, la distanta r ​​de un conductor infinit cu curent I2, campul magnetic va avea o inductie:

Acum puteți găsi forța Amperi care va acționa asupra primului fir situat într-un punct dat din câmpul magnetic (la un loc cu o inducție dată):

Integrând această expresie pe lungime și apoi înlocuind una cu lungimea, obținem forța amper care acționează pe unitatea de lungime a primului fir pe partea celui de-al doilea. O forță similară, numai în direcția opusă, va acționa asupra celui de-al doilea fir din partea primului.

Fără o înțelegere a legii lui Ampere, ar fi pur și simplu imposibil să proiectăm și să asamblați calitativ cel puțin un motor electric normal.

Principiul de funcționare și proiectare a motorului electric

Tipuri de motoare electrice asincrone, caracteristicile acestora

Legea Joule-Lenz

Toată energia electrică linie de transmisie, face ca aceste fire să se încălzească. În plus, energia electrică semnificativă este utilizată pentru a alimenta diferite dispozitive de încălzire, pentru a încălzi filamentele de tungsten la temperaturi ridicate etc. Calculele efectului de încălzire al curentului electric se bazează pe legea Joule-Lenz, descoperită în 1841 de James Joule și independent în 1842 de Emil Lenz.

Această lege cuantifică efectul termic al unui curent electric.Se formulează astfel: „Puterea căldurii degajate pe unitatea de volum (w) a mediului atunci când circulă un curent electric continuu în el este proporțională cu produsul densității curentului electric (j) cu valoarea intensității câmpului electric. (E) «.

Pentru firele subțiri se folosește forma integrală a legii: „cantitatea de căldură degajată pe unitatea de timp dintr-o secțiune a circuitului este proporțională cu produsul pătratului curentului din secțiunea considerată cu rezistența secțiunii. » Se scrie sub următoarea formă:

Legea Joule-Lenz are o importanță practică deosebită în transmiterea energiei electrice prin fire de distanță lungă.

Concluzia este că efectul termic al curentului asupra liniei de alimentare este nedorit deoarece duce la pierderi de energie. Și întrucât puterea transmisă depinde liniar atât de tensiune, cât și de mărimea curentului, în timp ce puterea de încălzire este proporțională cu pătratul curentului, este avantajos să creștem tensiunea la care se transmite electricitatea, reducând curentul în mod corespunzător.

Legea lui Ohm

Legea de bază a circuitului electric - Legea lui Ohm, descoperită de Georg Ohm în 1826.… Legea determină relația dintre tensiunea electrică și curent în funcție de rezistența electrică sau conductivitatea (conductivitatea electrică) a firului. În termeni moderni, legea lui Ohm pentru un circuit complet este scrisă după cum urmează:

r — rezistența internă a sursei, R — rezistența de sarcină, e — sursa EMF, I — curentul circuitului

Din această înregistrare rezultă că EMF într-un circuit închis prin care curge curentul dat de sursă va fi egal cu:

Aceasta înseamnă că pentru un circuit închis, emf sursei este egală cu suma căderii de tensiune a circuitului extern și rezistența internă a sursei.

Legea lui Ohm este formulată astfel: „curentul dintr-o secțiune a circuitului este direct proporțional cu tensiunea de la capetele sale și invers proporțional cu rezistența electrică a acestei secțiuni a circuitului.” O altă notație a legii lui Ohm este prin conductanța G (conductivitatea electrică):

Legea lui Ohm pentru o secțiune a unui circuit

Aplicarea în practică a legii lui Ohm

Ce sunt tensiunea, curentul, rezistența și cum sunt ele utilizate în practică