Undang-undang elektrodinamik yang paling penting dalam bentuk yang ringkas dan boleh diakses

Kepentingan elektrodinamik dalam dunia moden terutamanya dikaitkan dengan kemungkinan teknikal yang luas yang dibuka untuk penghantaran tenaga elektrik melalui wayar jarak jauh, untuk kaedah pengagihan dan penukaran elektrik ke dalam bentuk lain, — mekanikal, haba, cahaya, dll.

Dijana dalam loji janakuasa, tenaga elektrik dihantar sepanjang berbatu-batu talian kuasa — ke rumah dan kemudahan perindustrian, tempat daya elektromagnet memacu motor pelbagai peralatan, perkakas rumah, pencahayaan, peranti pemanasan dan banyak lagi. Dalam satu perkataan, adalah mustahil untuk membayangkan ekonomi moden dan bukan satu bilik tanpa saluran keluar di dinding.

Semua ini menjadi mungkin hanya kerana pengetahuan tentang undang-undang elektrodinamik, yang membolehkan untuk menghubungkan teori dengan aplikasi praktikal elektrik. Dalam artikel ini, kita akan melihat dengan lebih dekat empat daripada undang-undang ini yang paling praktikal.

Undang-undang aruhan elektromagnet

Undang-undang aruhan elektromagnet adalah asas operasi semua penjana elektrik yang dipasang di loji kuasa, dan bukan sahaja. Tetapi semuanya bermula dengan arus yang hampir tidak ketara, ditemui pada tahun 1831 oleh Michael Faraday dalam eksperimen dengan pergerakan elektromagnet berbanding dengan gegelung.

Apabila Faraday ditanya tentang prospek penemuannya, dia membandingkan hasil eksperimennya dengan kelahiran seorang anak yang masih belum membesar. Tidak lama kemudian bayi yang baru lahir ini menjadi pahlawan sejati yang mengubah wajah seluruh dunia bertamadun. Lihat — Aplikasi praktikal undang-undang aruhan elektromagnet

Penjana di loji hidroelektrik bersejarah di Jerman

Penjana loji kuasa moden ia bukan sekadar gegelung dengan magnet. Ia adalah struktur besar yang mengandungi struktur keluli, banyak gegelung busbar tembaga bertebat, tan besi, bahan penebat, serta sejumlah besar bahagian kecil yang dihasilkan dengan ketepatan sehingga pecahan milimeter.

Secara semula jadi, sudah tentu, peranti kompleks seperti itu tidak dapat ditemui, tetapi alam semula jadi dalam eksperimen menunjukkan kepada manusia bagaimana peranti itu harus berfungsi untuk menghasilkan elektrik melalui pergerakan mekanikal di bawah pengaruh daya luaran yang tersedia.

Tenaga elektrik yang dijana dalam loji kuasa ditukar, diagihkan dan ditukar semula terima kasih kepada pengubah kuasa, yang kerjanya juga berdasarkan fenomena aruhan elektromagnet, hanya pengubah, tidak seperti penjana, tidak termasuk bahagian yang sentiasa bergerak dalam reka bentuknya, sebaliknya ia mengandungi litar magnet dengan gegelung.

Penggulungan AC (belitan primer) bertindak pada litar magnetik, litar magnetik bertindak pada belitan sekunder (belitan sekunder pengubah). Elektrik daripada belitan sekunder pengubah kini diagihkan kepada pengguna. Semua ini berfungsi terima kasih kepada fenomena induksi elektromagnet dan pengetahuan tentang undang-undang elektrodinamik yang sepadan, yang membawa nama Faraday.

Maksud fizikal undang-undang aruhan elektromagnet ialah kemunculan medan elektrik pusar apabila medan magnet berubah dari semasa ke semasa, yang berlaku tepat dalam pengubah yang berfungsi.

Dalam amalan, apabila fluks magnet yang menembusi permukaan yang dibatasi oleh konduktor berubah, EMF teraruh dalam konduktor, yang nilainya sama dengan kadar perubahan fluks magnet (F), manakala tanda EMF teraruh. adalah bertentangan dengan kadar perubahan yang dibuat F. Hubungan ini juga dipanggil "peraturan aliran":

Selain menukar terus fluks magnet yang menembusi gelung, kaedah lain untuk mendapatkan EMF di dalamnya adalah mungkin, — menggunakan kuasa Lorentz.

Magnitud daya Lorentz, seperti yang anda ketahui, bergantung pada kelajuan pergerakan cas dalam medan magnet, pada magnitud aruhan medan magnet dan pada sudut di mana cas yang diberikan bergerak relatif kepada vektor aruhan. medan magnet:

Arah daya Lorentz untuk cas positif ditentukan oleh peraturan "tangan kiri": jika anda meletakkan tangan kiri anda supaya vektor aruhan magnet memasuki tapak tangan, dan empat jari terulur diletakkan ke arah pergerakan cas positif, maka ibu jari dibengkokkan pada 90 darjah akan menunjukkan arah daya Lorentz.

Contoh paling mudah bagi kes sedemikian ditunjukkan dalam rajah. Di sini, daya Lorentz menyebabkan hujung atas konduktor (katakan, sekeping dawai kuprum) bergerak dalam medan magnet menjadi bercas positif dan hujung bawahnya bercas negatif, kerana elektron mempunyai cas negatif dan merekalah yang bergerak di sini. .

Elektron akan bergerak ke bawah sehingga tarikan Coulomb di antara mereka dan cas positif pada bahagian bertentangan wayar mengimbangi daya Lorentz.

Proses ini menyebabkan penampilan EMF induksi dalam konduktor dan, ternyata, secara langsung berkaitan dengan undang-undang aruhan elektromagnet. Malah, kekuatan medan elektrik E dalam wayar boleh didapati seperti berikut (andaikan wayar bergerak pada sudut tepat ke vektor B):

oleh itu, EMF aruhan boleh dinyatakan seperti berikut:

Perlu diperhatikan bahawa dalam contoh yang diberikan fluks magnet F itu sendiri (sebagai objek) tidak mengalami perubahan dalam ruang, tetapi wayar melintasi kawasan di mana fluks magnet terletak, dan anda boleh mengira dengan mudah kawasan yang dilalui wayar. dengan bergerak melalui kawasan ruang itu pada masa tertentu (iaitu, kadar perubahan fluks magnet yang disebutkan di atas).

Dalam kes umum, kita berhak untuk membuat kesimpulan bahawa menurut «peraturan fluks» EMF dalam litar adalah sama dengan kadar perubahan fluks magnet melalui litar itu, diambil dengan tanda yang bertentangan, tidak kira sama ada nilai fluks F secara langsung berubah disebabkan oleh perubahan aruhan medan magnet dengan masa pada gelung tetap sama ada akibat daripada sesaran (melintasi fluks magnet) atau ubah bentuk gelung atau kedua-duanya.

Hukum Ampere

Sebahagian besar tenaga yang dijana dalam loji kuasa dihantar ke perusahaan, di mana enjin pelbagai mesin pemotong logam dibekalkan dengan elektrik. Pengendalian motor elektrik adalah berdasarkan pemahaman pereka mereka Hukum Ampere.

Undang-undang ini dicipta oleh Andre Marie Ampere pada tahun 1820 untuk arus terus (bukan kebetulan bahawa undang-undang ini juga dipanggil undang-undang interaksi arus elektrik).

Mengikut undang-undang Ampere, wayar selari dengan arus dalam arah yang sama menarik antara satu sama lain, dan wayar selari dengan arus bertentangan arah menolak satu sama lain. Selain itu, undang-undang Ampere merujuk kepada peraturan praktikal untuk menentukan daya yang digunakan oleh medan magnet bertindak pada konduktor pembawa arus dalam medan tertentu.

Dalam bentuk yang mudah, undang-undang Ampere boleh dinyatakan seperti berikut: daya (dipanggil daya Ampere) dengan mana medan magnet bertindak ke atas unsur konduktor pembawa arus dalam medan magnet adalah berkadar terus dengan jumlah arus dalam konduktor. dan hasil vektor unsur panjang wayar daripada nilai aruhan magnet.

Sehubungan itu, ungkapan untuk mencari modulus daya Ampere mengandungi sinus sudut antara vektor aruhan magnet dan vektor semasa dalam konduktor di mana daya ini bertindak (untuk menentukan arah daya Ampere, anda boleh menggunakan peraturan tangan kiri ):

Digunakan pada dua konduktor yang berinteraksi, daya Ampere akan bertindak pada setiap konduktor dalam arah yang bergantung pada arah arus masing-masing dalam konduktor tersebut.

Katakan terdapat dua konduktor nipis tak terhingga panjang dalam vakum dengan arus I1 dan I2, dan jarak antara konduktor di mana-mana adalah sama dengan r.Ia adalah perlu untuk mencari daya Ampere yang bertindak pada satu unit panjang wayar (contohnya, pada wayar pertama di sisi kedua).

Mengikut undang-undang Bio-Savart-Laplace, pada jarak r dari konduktor tak terhingga dengan arus I2, medan magnet akan mempunyai aruhan:

Sekarang anda boleh mencari daya Ampere yang akan bertindak pada wayar pertama yang terletak pada titik tertentu dalam medan magnet (di tempat dengan aruhan tertentu):

Mengintegrasikan ungkapan ini ke atas panjang, dan kemudian menggantikan satu untuk panjang, kami memperoleh daya-ampere yang bertindak per unit panjang wayar pertama pada sisi kedua. Daya yang serupa, hanya dalam arah yang bertentangan, akan bertindak pada wayar kedua dari sisi yang pertama.

Tanpa pemahaman tentang undang-undang Ampere, adalah mustahil untuk mereka bentuk dan memasang sekurang-kurangnya satu motor elektrik biasa secara kualitatif.

Prinsip operasi dan reka bentuk motor elektrik

Jenis motor elektrik tak segerak, ciri-cirinya

Undang-undang Joule-Lenz

Semua tenaga elektrik talian penghantaran, menyebabkan wayar ini menjadi panas. Di samping itu, tenaga elektrik yang ketara digunakan sebagai bertujuan untuk menggerakkan pelbagai peranti pemanasan, untuk memanaskan filamen tungsten kepada suhu tinggi, dsb. Pengiraan kesan pemanasan arus elektrik adalah berdasarkan undang-undang Joule-Lenz, ditemui pada tahun 1841 oleh James Joule dan secara bebas pada tahun 1842 oleh Emil Lenz.

Undang-undang ini mengukur kesan haba arus elektrik.Ia dirumuskan seperti berikut: "Kuasa haba yang dibebaskan per unit isipadu (w) medium apabila arus elektrik terus mengalir di dalamnya adalah berkadar dengan hasil ketumpatan arus elektrik (j) dengan nilai kekuatan medan elektrik. (E) «.

Untuk wayar nipis, bentuk integral undang-undang digunakan: "jumlah haba yang dibebaskan setiap unit masa dari bahagian litar adalah berkadar dengan hasil kuasa dua arus dalam bahagian yang dipertimbangkan dengan rintangan bahagian. » Ia ditulis dalam bentuk berikut:

Undang-undang Joule-Lenz mempunyai kepentingan praktikal khusus dalam penghantaran tenaga elektrik melalui wayar jarak jauh.

Kesimpulannya ialah kesan haba arus pada talian kuasa adalah tidak diingini kerana ia membawa kepada kehilangan tenaga. Dan oleh kerana kuasa yang dihantar bergantung secara linear pada kedua-dua voltan dan magnitud arus, manakala kuasa pemanasan adalah berkadar dengan kuasa dua arus, adalah berfaedah untuk meningkatkan voltan di mana elektrik dihantar, mengurangkan arus dengan sewajarnya.

Hukum Ohm

Undang-undang asas litar elektrik - Hukum Ohm, ditemui oleh Georg Ohm pada tahun 1826.… Undang-undang menentukan hubungan antara voltan elektrik dan arus bergantung pada rintangan elektrik atau kekonduksian (konduksi elektrik) wayar. Dalam istilah moden, hukum Ohm untuk litar lengkap ditulis seperti berikut:

r — rintangan dalaman sumber, R — rintangan beban, e — sumber EMF, I — arus litar

Daripada rekod ini, EMF dalam litar tertutup di mana arus yang diberikan oleh sumber mengalir akan sama dengan:

Ini bermakna untuk litar tertutup, emf punca adalah sama dengan jumlah penurunan voltan litar luaran dan rintangan dalaman punca.

Hukum Ohm dirumuskan seperti berikut: "arus dalam bahagian litar adalah berkadar terus dengan voltan pada hujungnya dan berkadar songsang dengan rintangan elektrik bahagian litar ini." Satu lagi tatatanda hukum Ohm ialah dengan kekonduksian G (konduksi elektrik):

Hukum Ohm untuk keratan litar

Penggunaan hukum Ohm dalam amalan

Apakah voltan, arus, rintangan dan bagaimana ia digunakan dalam amalan