Az elektrodinamika legfontosabb törvényei tömör és közérthető formában
Az elektrodinamika jelentősége a modern világban elsősorban azzal függ össze, hogy széles technikai lehetőségek nyílnak meg az elektromos energia nagy távolságú vezetékeken történő átvitelére, a villamos energia elosztására és más formákká történő átalakítására. mechanikai, termikus, fény stb.
Az erőművekben előállított elektromos energia mérföldeken át távvezetékeken keresztül jut el – otthonokba és ipari létesítményekbe, ahol elektromágneses erők hajtják meg a különféle berendezések, háztartási készülékek, világítás, fűtőberendezések és egyebek motorjait. Egyszóval lehetetlen elképzelni egy modern gazdaságot és egyetlen helyiséget sem konnektor nélkül a falon.
Mindez csak az elektrodinamika törvényeinek ismeretének köszönhetően vált lehetségessé, amely lehetővé teszi az elmélet és az elektromosság gyakorlati alkalmazásának összekapcsolását. Ebben a cikkben e törvények közül négyet fogunk közelebbről megvizsgálni.
Az elektromágneses indukció törvénye
Az elektromágneses indukció törvénye az erőművekben felszerelt összes elektromos generátor működésének alapja, és nem csak. De az egész egy alig észrevehető árammal kezdődött, amelyet 1831-ben Michael Faraday fedezett fel egy elektromágnes tekercshez viszonyított mozgásával kapcsolatos kísérlet során.
Amikor Faradayt a felfedezésének kilátásairól kérdezték, kísérletének eredményét egy gyermek születéséhez hasonlította, akinek még fel kell nőnie. Ez az újszülött hamarosan igazi hőssé vált, aki megváltoztatta az egész civilizált világ arcát. Az elektromágneses indukció törvényének gyakorlati alkalmazása
Generátor egy történelmi vízierőműben Németországban
Modern erőművi generátor ez nem csak egy tekercs mágnessel. Ez egy hatalmas szerkezet, amely acélszerkezeteket, sok tekercset szigetelt réz gyűjtősínt, több tonna vasat, szigetelő anyagokat, valamint nagyszámú apró alkatrészt tartalmaz, milliméter töredékig terjedő precizitással.
A természetben természetesen nem található ilyen összetett eszköz, de a természet a kísérlet során megmutatta az embernek, hogyan kell működnie az eszköznek ahhoz, hogy mechanikus mozgásokkal, egy elérhető külső erő hatására villamos energiát termeljen.
Az erőműben megtermelt villamos energia átalakítása, elosztása és újra átalakítása történik köszönhetően teljesítmény transzformátorok, melynek munkája szintén az elektromágneses indukció jelenségén alapul, csak egy transzformátor a generátorral ellentétben nem tartalmaz folyamatosan mozgó alkatrészeket a kialakításában, helyette tekercsekkel ellátott mágneses áramkört tartalmaz.
Egy váltakozó áramú tekercs (primer tekercs) hat a mágneses áramkörre, a mágneses áramkör a szekunder tekercsekre (a transzformátor másodlagos tekercseire). A transzformátor szekunder tekercséből származó elektromos áramot most elosztják a fogyasztókhoz. Mindez az elektromágneses indukció jelenségének és az elektrodinamika megfelelő törvényének ismeretének köszönhetően működik, amely Faraday nevet viseli.
Az elektromágneses indukció törvényének fizikai jelentése örvényes elektromos tér megjelenése, amikor a mágneses tér idővel megváltozik, ami pontosan egy működő transzformátorban történik.
A gyakorlatban a vezető által határolt felületen áthatoló mágneses fluxus megváltozásakor a vezetőben EMF indukálódik, amelynek értéke megegyezik a mágneses fluxus változási sebességével (F), míg az indukált EMF előjele. ellentétes az F változtatás sebességével. Ezt az összefüggést "áramlási szabálynak" is nevezik:
A hurkon áthatoló mágneses fluxus közvetlen megváltoztatásán kívül egy másik módszer is lehetséges az EMF elérésére, — a Lorentz-erő felhasználásával.
A Lorentz-erő nagysága, mint tudod, függ a töltés mozgási sebességétől a mágneses térben, a mágneses tér indukciójának nagyságától és attól, hogy az adott töltés milyen szögben mozog az indukciós vektorhoz képest a mágneses térről:
A Lorentz-erő irányát pozitív töltésre a „balkéz” szabály határozza meg: ha a bal kezünket úgy helyezzük el, hogy a mágneses indukció vektora a tenyérbe kerüljön, és négy kinyújtott ujját a mozgás irányába helyezzük. a pozitív töltést, akkor egy 90 fokban meghajlított hüvelykujj jelzi a Lorentz-erő irányát.
Egy ilyen eset legegyszerűbb példája az ábrán látható. Itt a Lorentz-erő hatására a mágneses térben mozgó vezető felső vége (mondjuk egy rézdrót darabja) pozitív töltésű lesz, az alsó vége pedig negatív töltésű lesz, mivel az elektronok negatív töltésűek és itt ők mozognak. .
Az elektronok addig mozognak lefelé, amíg a köztük lévő Coulomb-vonzás és a huzal másik oldalán lévő pozitív töltés kiegyenlíti a Lorentz-erőt.
Ez a folyamat az indukció EMF megjelenését okozza a vezetőben, és mint kiderült, közvetlenül kapcsolódik az elektromágneses indukció törvényéhez. Valójában az E elektromos térerősség a vezetékben a következőképpen határozható meg (tegyük fel, hogy a vezeték merőlegesen mozog a B vektorral):
ezért az indukció EMF-je a következőképpen fejezhető ki:
Megjegyzendő, hogy az adott példában maga az F mágneses fluxus (mint tárgy) nem változik a térben, hanem a vezeték keresztezi azt a területet, ahol a mágneses fluxus található, és könnyen kiszámítható, hogy egy vezeték mekkora területet halad át. adott idő (vagyis a fent említett mágneses fluxus változási sebessége) alatt áthaladva a tér azon tartományán.
Általános esetben joggal következtethetünk arra, hogy a „fluxusszabály” szerint az EMF egy áramkörben egyenlő az azon az áramkörön áthaladó mágneses fluxus változásának sebességével, ellenkező előjellel, függetlenül attól, hogy az áramkör értéke az F fluxus közvetlenül változik a mágneses tér indukciójának időbeli változása miatt egy fix hurokban, akár elmozdulás (a mágneses fluxus keresztezése), akár a hurok deformációja, vagy mindkettő következtében.
Ampere törvénye
Az erőművekben megtermelt energia jelentős része vállalkozásokba kerül, ahol különféle fémvágó gépek motorjait látják el villamos energiával. Az elektromos motorok működése a tervezőik megértésén alapul Ampere törvénye.
Ezt a törvényt Andre Marie Ampere alkotta meg 1820-ban az egyenáramokra (nem véletlen, hogy ezt a törvényt az elektromos áramok kölcsönhatásának törvényének is nevezik).
Az Ampere-törvény szerint az azonos irányú áramú párhuzamos vezetékek vonzzák egymást, az ellentétes irányú áramú párhuzamos vezetékek pedig taszítják egymást. Ezenkívül az Ampere-törvény a hüvelykujjszabályra utal, amely meghatározza azt az erőt, amellyel a mágneses tér egy adott mezőben lévő áramvezetőre hat.
Egyszerűen megfogalmazva az Ampere-törvény a következőképpen fogalmazható meg: az az erő (az úgynevezett Amper-erő), amellyel a mágneses tér egy áramot vezető vezető elemére hat mágneses térben, egyenesen arányos a vezetőben lévő áram nagyságával. a vezeték hosszának elemének pedig a mágneses indukció értékéből a vektorszorzatát.
Ennek megfelelően az Amper-erő modulusának meghatározására szolgáló kifejezés tartalmazza a mágneses indukciós vektor és az áramvektor közötti szög szinuszát a vezetőben, amelyre ez az erő hat (az Amper-erő irányának meghatározásához használhatja a bal kéz szabályt ):
Két kölcsönhatásban lévő vezetőre alkalmazva az Amper ereje mindegyikre olyan irányba hat, amely az adott vezetőben lévő áram irányától függ.
Tegyük fel, hogy két végtelenül hosszú vékony vezeték van vákuumban I1 és I2 árammal, és a vezetékek közötti távolság mindenhol egyenlő r-rel.Meg kell találni a huzal egységnyi hosszára ható ampererőt (például a második oldalán lévő első vezetéken).
A Bio-Savart-Laplace törvény szerint, az I2 áramú végtelen vezetőtől r távolságra a mágneses tér indukciója lesz:
Most megtalálhatja azt az Ampererőt, amely a mágneses mező adott pontjában (adott indukciós helyen) lévő első vezetékre hat:
Ezt a kifejezést a hosszra integrálva, majd a hosszt eggyel helyettesítve megkapjuk az első vezeték egységnyi hosszára ható amper-erőt a második oldalán. Hasonló, csak ellenkező irányú erő hat a második vezetékre az első oldaláról.
Az Ampere-törvény ismerete nélkül egyszerűen lehetetlen lenne minőségileg megtervezni és összeszerelni legalább egy normál elektromos motort.
Az elektromos motor működési elve és kialakítása
Az aszinkron villanymotorok típusai, jellemzőik
A Joule-Lenz törvény
Minden elektromos energia távvezeték, ezek a vezetékek felmelegednek. Ezenkívül jelentős elektromos energiát használnak fel különféle fűtőberendezések táplálására, volfrámszálak magas hőmérsékletre való melegítésére stb. Az elektromos áram fűtőhatásának számításai a Joule-Lenz törvényen alapulnak, amelyet James Joule fedezett fel 1841-ben, és egymástól függetlenül 1842-ben Emil Lenz.
Ez a törvény az elektromos áram hőhatását számszerűsíti.A következőképpen fogalmazódik meg: "A közeg egységnyi térfogatára (w) felszabaduló hőteljesítmény, amikor egyenáram folyik benne, arányos az elektromos áram sűrűségének (j) az elektromos térerősség szorzatával. (E) «.
Vékony vezetékeknél a törvény integrált formáját használják: "az áramkör egy szakaszából időegység alatt felszabaduló hőmennyiség arányos a vizsgált szakaszban lévő áram négyzetének szorzatával a szakasz ellenállásával. » A következő formában van írva:
A Joule-Lenz törvény különös gyakorlati jelentőséggel bír az elektromos energia nagy távolságú vezetékeken történő átvitelében.
A következtetés az, hogy az áram hőhatása a tápvezetékre nem kívánatos, mert energiaveszteséghez vezet. És mivel az átvitt teljesítmény lineárisan függ mind a feszültségtől, mind az áram nagyságától, míg a fűtési teljesítmény arányos az áram négyzetével, célszerű növelni a feszültséget, amelyen az áramot továbbítják, ennek megfelelően csökkentve az áramerősséget.
Ohm törvénye
Az elektromos áramkör alaptörvénye – Ohm törvénye, amelyet Georg Ohm fedezett fel 1826-ban.… A törvény meghatározza az elektromos feszültség és az áram közötti kapcsolatot a vezeték elektromos ellenállásától vagy vezetőképességétől (elektromos vezetőképességétől) függően. Modern értelemben az Ohm-törvény egy teljes áramkörre a következőképpen íródik:
r — forrás belső ellenállása, R — terhelési ellenállás, e — forrás EMF, I — áramköri áram
Ebből a rekordból következik, hogy az EMF egy zárt áramkörben, amelyen keresztül a forrás által adott áram folyik, egyenlő lesz:
Ez azt jelenti, hogy zárt áramkör esetén a forrás emf egyenlő a külső áramkör feszültségesésének és a forrás belső ellenállásának összegével.
Ohm törvénye a következőképpen fogalmazódik meg: "az áramkör egy szakaszában az áramerősség egyenesen arányos a végein lévő feszültséggel, és fordítottan arányos az áramkör ezen szakaszának elektromos ellenállásával." Az Ohm-törvény másik jelölése a G vezetőképesség (elektromos vezetőképesség):
Ohm törvénye az áramkör egy szakaszára
Ohm törvényének alkalmazása a gyakorlatban
Mi a feszültség, áram, ellenállás és hogyan használják a gyakorlatban