Najważniejsze prawa elektrodynamiki w zwięzłej i przystępnej formie

Znaczenie elektrodynamiki we współczesnym świecie wiąże się przede wszystkim z szerokimi możliwościami technicznymi, jakie otwiera ona dla przesyłu energii elektrycznej przewodami na duże odległości, dla sposobów dystrybucji i przetwarzania energii elektrycznej na inne formy, — mechanicznych, termicznych, świetlnych itp.

Wytwarzana w elektrowniach energia elektryczna jest przesyłana kilometrami linii energetycznych — do domów i obiektów przemysłowych, gdzie siły elektromagnetyczne napędzają silniki różnych urządzeń, sprzętu gospodarstwa domowego, oświetlenia, urządzeń grzewczych i innych. Jednym słowem nie sposób wyobrazić sobie nowoczesnej gospodarki i ani jednego pomieszczenia bez gniazdka na ścianie.

Wszystko to stało się możliwe dopiero dzięki znajomości praw elektrodynamiki, która pozwala łączyć teorię z praktycznym zastosowaniem elektryczności. W tym artykule przyjrzymy się bliżej czterem najbardziej praktycznym z tych praw.

Prawo indukcji elektromagnetycznej

Prawo indukcji elektromagnetycznej jest podstawą działania wszystkich generatorów elektrycznych zainstalowanych w elektrowniach i nie tylko. Ale wszystko zaczęło się od ledwo zauważalnego prądu, odkrytego w 1831 roku przez Michaela Faradaya w eksperymencie z ruchem elektromagnesu względem cewki.

Kiedy Faraday został zapytany o perspektywy swojego odkrycia, porównał wynik swojego eksperymentu do narodzin dziecka, które jeszcze nie dorosło. Wkrótce ten noworodek stał się prawdziwym bohaterem, który zmienił oblicze całego cywilizowanego świata.Zobacz — Praktyczne zastosowanie prawa indukcji elektromagnetycznej

Generator w zabytkowej elektrowni wodnej w Niemczech

Nowoczesny generator elektrowni to nie tylko cewka z magnesem. Jest to ogromna konstrukcja zawierająca konstrukcje stalowe, wiele cewek izolowanych szyn miedzianych, tony żelaza, materiały izolacyjne, a także ogromną liczbę drobnych części wykonanych z dokładnością do ułamków milimetra.

W naturze oczywiście nie można znaleźć tak złożonego urządzenia, ale natura w eksperymencie pokazała człowiekowi, jak powinno działać urządzenie, aby wytwarzać energię elektryczną poprzez ruchy mechaniczne pod wpływem dostępnej siły zewnętrznej.

Energia elektryczna wytwarzana w elektrowni jest przetwarzana, dystrybuowana i ponownie przetwarzana dzięki transformatory mocy, którego praca również opiera się na zjawisku indukcji elektromagnetycznej, tylko transformator, w przeciwieństwie do generatora, nie zawiera w swojej konstrukcji stale ruchomych części, zamiast tego zawiera obwód magnetyczny z cewkami.

Uzwojenie prądu przemiennego (pierwotne) oddziałuje na obwód magnetyczny, obwód magnetyczny oddziałuje na uzwojenia wtórne (uzwojenia wtórne transformatora). Energia elektryczna z uzwojeń wtórnych transformatora jest teraz rozprowadzana do konsumentów. Wszystko to działa dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej i znajomości odpowiadającego mu prawa elektrodynamiki, które nosi nazwę Faradaya.

Fizycznym znaczeniem prawa indukcji elektromagnetycznej jest pojawienie się wirowego pola elektrycznego, gdy pole magnetyczne zmienia się w czasie, co dzieje się dokładnie w pracującym transformatorze.

W praktyce, gdy zmienia się strumień magnetyczny przenikający przez powierzchnię ograniczoną przewodem, w przewodzie indukowana jest siła elektromotoryczna, której wartość jest równa szybkości zmiany strumienia magnetycznego (F), natomiast znak indukowanej siły elektromotorycznej jest odwrotna do tempa dokonywanych zmian F. Zależność ta nazywana jest także „regułą przepływu”:

Oprócz bezpośredniej zmiany strumienia magnetycznego przenikającego pętlę, możliwa jest inna metoda uzyskania w niej pola elektromagnetycznego, — za pomocą siły Lorentza.

Wielkość siły Lorentza, jak wiadomo, zależy od prędkości ruchu ładunku w polu magnetycznym, od wielkości indukcji pola magnetycznego oraz od kąta, pod jakim dany ładunek porusza się względem wektora indukcji pola magnetycznego:

Kierunek siły Lorentza dla ładunku dodatniego określa reguła „lewej ręki”: jeśli ułożysz lewą rękę tak, że wektor indukcji magnetycznej wchodzi w dłoń, a cztery wyciągnięte palce są ustawione w kierunku ruchu dodatni ładunek, to kciuk zgięty pod kątem 90 stopni wskaże kierunek działania siły Lorentza.

Najprostszy przykład takiego przypadku pokazano na rysunku. Tutaj siła Lorentza powoduje, że górny koniec przewodnika (powiedzmy kawałek drutu miedzianego) poruszającego się w polu magnetycznym zostaje naładowany dodatnio, a jego dolny koniec naładowany ujemnie, ponieważ elektrony mają ładunek ujemny i to one się tutaj poruszają .

Elektrony będą przesuwać się w dół, aż przyciąganie Coulomba między nimi a ładunkiem dodatnim po przeciwnej stronie drutu zrównoważy siłę Lorentza.

Proces ten powoduje pojawienie się pola elektromagnetycznego indukcji w przewodniku i, jak się okazało, jest bezpośrednio związany z prawem indukcji elektromagnetycznej. W rzeczywistości natężenie pola elektrycznego E w przewodzie można znaleźć w następujący sposób (zakładając, że przewód porusza się pod kątem prostym do wektora B):

dlatego EMF indukcji można wyrazić w następujący sposób:

Można zauważyć, że w podanym przykładzie sam strumień magnetyczny F (jako obiekt) nie zmienia się w przestrzeni, ale drut przecina obszar, w którym znajduje się strumień magnetyczny, i łatwo można obliczyć pole, przez które przechodzi drut poruszając się przez ten obszar przestrzeni w określonym czasie (tj. wspomnianej powyżej szybkości zmiany strumienia magnetycznego).

W ogólnym przypadku mamy prawo stwierdzić, że zgodnie z „regułą strumienia”, SEM w obwodzie jest równa szybkości zmiany strumienia magnetycznego w tym obwodzie, branej ze znakiem przeciwnym, niezależnie od tego, czy wartość strumień F zmienia się bezpośrednio w wyniku zmiany indukcji pola magnetycznego w czasie w ustalonej pętli albo w wyniku przemieszczenia (przecinania strumienia magnetycznego), albo odkształcenia pętli, albo obu.

Prawo Ampere'a

Znaczna część energii wytwarzanej w elektrowniach kierowana jest do przedsiębiorstw, w których zasilane są w energię elektryczną silniki różnych maszyn do obróbki skrawaniem metali. Działanie silników elektrycznych opiera się na zrozumieniu ich konstruktorów Prawo Ampere'a.

Prawo to zostało stworzone przez Andre Marie Ampere w 1820 roku dla prądów stałych (nieprzypadkowo prawo to nazywane jest również prawem oddziaływania prądów elektrycznych).

Zgodnie z prawem Ampera, równoległe przewodniki, w których płynie prąd w tym samym kierunku, przyciągają się, a równoległe przewodniki, w których płynie prąd o przeciwnym kierunku, odpychają się. Ponadto prawo Ampera odnosi się do praktycznej zasady określania siły, z jaką pole magnetyczne działa na przewodnik z prądem w danym polu.

W prostej formie prawo Ampera można przedstawić w następujący sposób: siła (zwana siłą Ampera), z jaką pole magnetyczne działa na element przewodnika z prądem w polu magnetycznym, jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu w przewodniku oraz iloczyn wektorowy elementu długości drutu od wartości indukcji magnetycznej.

W związku z tym wyrażenie na znalezienie modułu siły Ampera zawiera sinus kąta między wektorem indukcji magnetycznej a wektorem prądu w przewodniku, na który działa ta siła (aby określić kierunek siły Ampera, można użyć reguły lewej ręki ):

Przyłożona do dwóch oddziałujących ze sobą przewodników, siła Ampera będzie działać na każdy z nich w kierunku zależnym od odpowiednich kierunków prądów w tych przewodnikach.

Załóżmy, że w próżni znajdują się dwa nieskończenie długie cienkie przewodniki z prądami I1 i I2, a odległość między przewodnikami jest wszędzie równa r.Konieczne jest znalezienie siły Ampera działającej na jednostkę długości drutu (na przykład na pierwszy drut po stronie drugiego).

Zgodnie z prawem Bio-Savarta-Laplace'a, w odległości r od nieskończonego przewodnika z prądem I2, pole magnetyczne będzie miało indukcję:

Teraz możesz znaleźć siłę Ampera, która będzie działać na pierwszy drut znajdujący się w danym punkcie pola magnetycznego (w miejscu o danej indukcji):

Całkując to wyrażenie po długości, a następnie zastępując długość jednym, otrzymujemy amperosiłę działającą na jednostkę długości pierwszego drutu po stronie drugiego. Podobna siła, tylko w przeciwnym kierunku, będzie działać na drugi drut od strony pierwszego.

Bez zrozumienia prawa Ampere'a jakościowe zaprojektowanie i zmontowanie przynajmniej jednego normalnego silnika elektrycznego byłoby po prostu niemożliwe.

Zasada działania i budowa silnika elektrycznego

Rodzaje asynchronicznych silników elektrycznych, ich charakterystyki

Prawo Joule'a-Lenza

Cała energia elektryczna linia transmisyjna, powoduje nagrzewanie się tych przewodów. Na dodatek znaczna ilość energii elektrycznej jest wykorzystywana zgodnie z przeznaczeniem do zasilania najróżniejszych urządzeń grzewczych, do nagrzewania włókien wolframowych do wysokich temperatur, itp. Obliczenia efektu cieplnego prądu elektrycznego opierają się na prawie Joule'a-Lenza, odkrytym w 1841 roku przez Jamesa Joule'a i niezależnie w 1842 roku przez Emila Lenza.

To prawo określa ilościowo efekt cieplny prądu elektrycznego.Formułuje się go następująco: „Moc wydzielanego ciepła na jednostkę objętości (w) ośrodka, gdy przepływa w nim stały prąd elektryczny, jest proporcjonalna do iloczynu gęstości prądu elektrycznego (j) przez wartość natężenia pola elektrycznego (E) «.

W przypadku cienkich drutów stosuje się integralną postać prawa: „ilość ciepła uwalnianego w jednostce czasu z odcinka obwodu jest proporcjonalna do iloczynu kwadratu prądu w rozpatrywanym przekroju przez rezystancję odcinka. » Jest napisane w następującej formie:

Prawo Joule'a-Lenza ma szczególne znaczenie praktyczne w przesyłaniu energii elektrycznej przewodami na duże odległości.

Wniosek jest taki, że efekt cieplny prądu na linii elektroenergetycznej jest niepożądany, ponieważ prowadzi do strat energii. A ponieważ przesyłana moc zależy liniowo zarówno od napięcia, jak i wielkości prądu, podczas gdy moc grzewcza jest proporcjonalna do kwadratu prądu, korzystne jest zwiększenie napięcia, przy którym przesyłana jest energia elektryczna, odpowiednio zmniejszając prąd.

Prawo Ohma

Podstawowe prawo obwodu elektrycznego — Prawo Ohma, odkryte przez Georga Ohma w 1826 roku.… Prawo określa zależność między napięciem elektrycznym a prądem w zależności od rezystancji elektrycznej lub przewodności (przewodności elektrycznej) drutu. Współcześnie prawo Ohma dla kompletnego obwodu jest zapisane w następujący sposób:

r — rezystancja wewnętrzna źródła, R — rezystancja obciążenia, e — źródło SEM, I — prąd obwodu

Z zapisu tego wynika, że ​​SEM w obwodzie zamkniętym, przez który przepływa prąd podawany przez źródło, będzie równy:

Oznacza to, że dla obwodu zamkniętego siła elektromotoryczna źródła jest równa sumie spadku napięcia obwodu zewnętrznego i rezystancji wewnętrznej źródła.

Prawo Ohma jest sformułowane w następujący sposób: „Prąd w odcinku obwodu jest wprost proporcjonalny do napięcia na jego końcach i odwrotnie proporcjonalny do oporu elektrycznego tego odcinka obwodu”. Innym zapisem prawa Ohma jest przewodnictwo G (przewodność elektryczna):

Prawo Ohma dla odcinka obwodu

Zastosowanie prawa Ohma w praktyce

Czym są napięcie, prąd, rezystancja i jak są wykorzystywane w praktyce