Οι σημαντικότεροι νόμοι της ηλεκτροδυναμικής σε μια συνοπτική και προσιτή μορφή

Η σημασία της ηλεκτροδυναμικής στον σύγχρονο κόσμο συνδέεται πρωτίστως με τις ευρείες τεχνικές δυνατότητες που προσφέρει για τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας μέσω καλωδίων μεγάλων αποστάσεων, για μεθόδους διανομής και μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε άλλες μορφές, — των μηχανικών, θερμικών, ελαφρών κ.λπ.

Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, αποστέλλεται σε μίλια γραμμών ηλεκτρικής ενέργειας — σε σπίτια και βιομηχανικές εγκαταστάσεις, όπου ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις οδηγούν τους κινητήρες διαφόρων εξοπλισμών, οικιακών συσκευών, φωτισμού, συσκευών θέρμανσης και πολλά άλλα. Με μια λέξη, είναι αδύνατο να φανταστεί κανείς μια σύγχρονη οικονομία και όχι ένα δωμάτιο χωρίς πρίζα στον τοίχο.

Όλα αυτά έγιναν ποτέ δυνατά μόνο χάρη στη γνώση των νόμων της ηλεκτροδυναμικής, η οποία επιτρέπει τη σύνδεση της θεωρίας με την πρακτική εφαρμογή του ηλεκτρισμού. Σε αυτό το άρθρο, θα ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε τέσσερις από τους πιο πρακτικούς από αυτούς τους νόμους.

Ο νόμος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής

Ο νόμος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής είναι η βάση της λειτουργίας όλων των ηλεκτρικών γεννητριών που είναι εγκατεστημένες σε σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, και όχι μόνο. Αλλά όλα ξεκίνησαν με ένα ελάχιστα αισθητό ρεύμα, που ανακαλύφθηκε το 1831 από τον Michael Faraday σε ένα πείραμα με την κίνηση ενός ηλεκτρομαγνήτη σε σχέση με ένα πηνίο.

Όταν ο Faraday ρωτήθηκε για τις προοπτικές της ανακάλυψής του, συνέκρινε το αποτέλεσμα του πειράματός του με τη γέννηση ενός παιδιού που δεν έχει ακόμη μεγαλώσει. Σύντομα αυτό το νεογέννητο έγινε ένας αληθινός ήρωας που άλλαξε το πρόσωπο ολόκληρου του πολιτισμένου κόσμου. Δείτε — Πρακτική εφαρμογή του νόμου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής

Μια γεννήτρια σε ένα ιστορικό υδροηλεκτρικό εργοστάσιο στη Γερμανία

Σύγχρονη γεννήτρια σταθμών παραγωγής ενέργειας δεν είναι απλώς ένα πηνίο με μαγνήτη. Πρόκειται για μια τεράστια κατασκευή που περιέχει κατασκευές από χάλυβα, πολλά πηνία μονωμένων χάλκινων ράβδων, τόνους σιδήρου, μονωτικά υλικά, καθώς και μεγάλο αριθμό μικρών εξαρτημάτων που κατασκευάζονται με ακρίβεια έως κλάσματα του χιλιοστού.

Στη φύση, φυσικά, δεν μπορεί να βρεθεί μια τόσο περίπλοκη συσκευή, αλλά η φύση στο πείραμα έδειξε στον άνθρωπο πώς θα έπρεπε να λειτουργεί η συσκευή για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια μέσω μηχανικών κινήσεων υπό την επίδραση μιας διαθέσιμης εξωτερικής δύναμης.

Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται στο εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής μετατρέπεται, διανέμεται και μετατρέπεται ξανά χάρη σε μετασχηματιστές ισχύος, το έργο του οποίου βασίζεται επίσης στο φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, μόνο ένας μετασχηματιστής, σε αντίθεση με μια γεννήτρια, δεν περιλαμβάνει συνεχώς κινούμενα μέρη στο σχεδιασμό του, αντίθετα περιέχει ένα μαγνητικό κύκλωμα με πηνία.

Μια περιέλιξη AC (πρωτεύουσα περιέλιξη) δρα στο μαγνητικό κύκλωμα, το μαγνητικό κύκλωμα δρα στις δευτερεύουσες περιελίξεις (δευτερεύουσες περιελίξεις του μετασχηματιστή). Η ηλεκτρική ενέργεια από τις δευτερεύουσες περιελίξεις του μετασχηματιστή διανέμεται πλέον στους καταναλωτές. Όλα αυτά λειτουργούν χάρη στο φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής και τη γνώση του αντίστοιχου νόμου της ηλεκτροδυναμικής, που φέρει το όνομα Faraday.

Η φυσική έννοια του νόμου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής είναι η εμφάνιση ενός δινοηλεκτρικού πεδίου όταν το μαγνητικό πεδίο αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, κάτι που συμβαίνει ακριβώς σε έναν μετασχηματιστή που λειτουργεί.

Στην πράξη, όταν η μαγνητική ροή που διεισδύει στην επιφάνεια που οριοθετείται από τον αγωγό αλλάζει, επάγεται στον αγωγό ένα EMF, η τιμή του οποίου είναι ίση με το ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής (F), ενώ το πρόσημο του επαγόμενου EMF είναι αντίθετη με το ρυθμό της αλλαγής που έγινε F. Αυτή η σχέση ονομάζεται επίσης «κανόνας ροής»:

Εκτός από την άμεση αλλαγή της μαγνητικής ροής που διεισδύει στον βρόχο, είναι δυνατή μια άλλη μέθοδος λήψης EMF σε αυτόν, — χρησιμοποιώντας τη δύναμη Lorentz.

Το μέγεθος της δύναμης Lorentz, όπως γνωρίζετε, εξαρτάται από την ταχύτητα κίνησης του φορτίου σε ένα μαγνητικό πεδίο, από το μέγεθος της επαγωγής του μαγνητικού πεδίου και από τη γωνία στην οποία το δεδομένο φορτίο κινείται σε σχέση με το διάνυσμα επαγωγής του μαγνητικού πεδίου:

Η κατεύθυνση της δύναμης Lorentz για ένα θετικό φορτίο καθορίζεται από τον κανόνα "αριστερό χέρι": εάν τοποθετήσετε το αριστερό σας χέρι έτσι ώστε το διάνυσμα της μαγνητικής επαγωγής να εισέλθει στην παλάμη και τέσσερα τεντωμένα δάχτυλα τοποθετηθούν στην κατεύθυνση της κίνησης το θετικό φορτίο, τότε ένας αντίχειρας λυγισμένος στις 90 μοίρες θα δείξει την κατεύθυνση της δύναμης Lorentz.

Το απλούστερο παράδειγμα μιας τέτοιας περίπτωσης φαίνεται στο σχήμα. Εδώ, η δύναμη Lorentz κάνει το άνω άκρο ενός αγωγού (ας πούμε, ένα κομμάτι χάλκινου σύρματος) που κινείται σε ένα μαγνητικό πεδίο να φορτιστεί θετικά και το κάτω άκρο του να φορτιστεί αρνητικά, καθώς τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο και είναι αυτά που κινούνται εδώ .

Τα ηλεκτρόνια θα κινηθούν προς τα κάτω έως ότου η έλξη Coulomb μεταξύ τους και το θετικό φορτίο στην αντίθετη πλευρά του σύρματος εξισορροπήσει τη δύναμη Lorentz.

Αυτή η διαδικασία προκαλεί την εμφάνιση EMF επαγωγής στον αγωγό και, όπως αποδείχθηκε, σχετίζεται άμεσα με το νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Στην πραγματικότητα, η ένταση ηλεκτρικού πεδίου Ε στο σύρμα μπορεί να βρεθεί ως εξής (υποθέστε ότι το σύρμα κινείται σε ορθή γωνία προς το διάνυσμα Β):

Επομένως, το EMF της επαγωγής μπορεί να εκφραστεί ως εξής:

Μπορεί να σημειωθεί ότι στο συγκεκριμένο παράδειγμα η ίδια η μαγνητική ροή F (ως αντικείμενο) δεν υφίσταται αλλαγές στο χώρο, αλλά το σύρμα διασχίζει την περιοχή όπου βρίσκεται η μαγνητική ροή και μπορείτε εύκολα να υπολογίσετε την περιοχή που διασχίζει ένα σύρμα μετακινώντας μέσα από αυτήν την περιοχή του χώρου κατά τη διάρκεια ενός δεδομένου χρόνου (δηλαδή, τον ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής που αναφέρθηκε παραπάνω).

Στη γενική περίπτωση, δικαιούμαστε να συμπεράνουμε ότι σύμφωνα με τον «κανόνα ροής» το EMF σε ένα κύκλωμα είναι ίσο με το ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής μέσω αυτού του κυκλώματος, που λαμβάνεται με το αντίθετο πρόσημο, ανεξάρτητα από το αν η τιμή του η ροή F αλλάζει άμεσα λόγω αλλαγής στην επαγωγή του μαγνητικού πεδίου με το χρόνο σε σταθερό βρόχο είτε ως αποτέλεσμα μετατόπισης (διέλευσης της μαγνητικής ροής) είτε παραμόρφωσης του βρόχου ή και των δύο.

Νόμος του Ampere

Σημαντικό μέρος της ενέργειας που παράγεται στους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής αποστέλλεται σε επιχειρήσεις, όπου τροφοδοτούνται με ηλεκτρισμό οι κινητήρες διαφόρων μηχανημάτων κοπής μετάλλων. Η λειτουργία των ηλεκτροκινητήρων βασίζεται στην κατανόηση των σχεδιαστών τους Νόμος του Ampere.

Αυτός ο νόμος δημιουργήθηκε από τον Andre Marie Ampere το 1820 για συνεχή ρεύματα (δεν είναι τυχαίο ότι αυτός ο νόμος ονομάζεται επίσης νόμος της αλληλεπίδρασης ηλεκτρικών ρευμάτων).

Σύμφωνα με το νόμο του Ampere, παράλληλα σύρματα με ρεύματα στην ίδια κατεύθυνση έλκονται μεταξύ τους και παράλληλα σύρματα με αντίθετα κατευθυνόμενα ρεύματα απωθούν το ένα το άλλο. Επιπλέον, ο νόμος του Ampere αναφέρεται στον εμπειρικό κανόνα για τον προσδιορισμό της δύναμης με την οποία ένα μαγνητικό πεδίο δρα σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα σε ένα δεδομένο πεδίο.

Σε μια απλή μορφή, ο νόμος του Ampere μπορεί να διατυπωθεί ως εξής: η δύναμη (που ονομάζεται δύναμη Ampere) με την οποία ένα μαγνητικό πεδίο ενεργεί σε ένα στοιχείο ενός αγωγού ρεύματος σε ένα μαγνητικό πεδίο είναι ευθέως ανάλογη με την ποσότητα του ρεύματος στον αγωγό και το διανυσματικό γινόμενο του στοιχείου του μήκους του σύρματος από την τιμή της μαγνητικής επαγωγής.

Κατά συνέπεια, η έκφραση για την εύρεση του συντελεστή της δύναμης του Ampere περιέχει το ημίτονο της γωνίας μεταξύ του διανύσματος μαγνητικής επαγωγής και του διανύσματος ρεύματος στον αγωγό στον οποίο δρα αυτή η δύναμη (για να καθορίσετε την κατεύθυνση της δύναμης του Ampere, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον κανόνα του αριστερού χεριού ):

Εφαρμόζεται σε δύο αλληλεπιδρώντες αγωγούς, η δύναμη του Ampere θα ενεργήσει σε καθέναν από αυτούς σε μια κατεύθυνση που εξαρτάται από τις αντίστοιχες κατευθύνσεις των ρευμάτων σε αυτούς τους αγωγούς.

Ας υποθέσουμε ότι υπάρχουν δύο απείρως μακροί λεπτοί αγωγοί στο κενό με ρεύματα I1 και I2, και η απόσταση μεταξύ των αγωγών παντού είναι ίση με r.Είναι απαραίτητο να βρείτε τη δύναμη Ampere που ενεργεί σε μια μονάδα μήκους του σύρματος (για παράδειγμα, στο πρώτο καλώδιο στην πλευρά του δεύτερου).

Σύμφωνα με το νόμο Bio-Savart-Laplace, σε απόσταση r από έναν άπειρο αγωγό με ρεύμα I2, το μαγνητικό πεδίο θα έχει επαγωγή:

Τώρα μπορείτε να βρείτε τη δύναμη Ampere που θα ενεργήσει στο πρώτο καλώδιο που βρίσκεται σε ένα δεδομένο σημείο του μαγνητικού πεδίου (σε ένα μέρος με μια δεδομένη επαγωγή):

Ενσωματώνοντας αυτήν την έκφραση σε όλο το μήκος, και στη συνέχεια αντικαθιστώντας μία για το μήκος, λαμβάνουμε τη δύναμη αμπέρ που ενεργεί ανά μονάδα μήκους του πρώτου σύρματος στην πλευρά του δεύτερου. Μια παρόμοια δύναμη, μόνο προς την αντίθετη κατεύθυνση, θα ενεργήσει στο δεύτερο σύρμα από την πλευρά του πρώτου.

Χωρίς την κατανόηση του νόμου του Ampere, θα ήταν απλώς αδύνατο να σχεδιαστεί και να συναρμολογηθεί ποιοτικά τουλάχιστον ένας κανονικός ηλεκτροκινητήρας.

Αρχή λειτουργίας και σχεδιασμός του ηλεκτροκινητήρα

Τύποι ασύγχρονων ηλεκτροκινητήρων, τα χαρακτηριστικά τους

Ο νόμος Joule-Lenz

Όλη η ηλεκτρική ενέργεια γραμμή μεταφοράς, προκαλεί τη θέρμανση αυτών των καλωδίων. Επιπλέον, σημαντική ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία διαφόρων συσκευών θέρμανσης, για τη θέρμανση των νημάτων βολφραμίου σε υψηλές θερμοκρασίες κ.λπ. Οι υπολογισμοί της επίδρασης θέρμανσης του ηλεκτρικού ρεύματος βασίζονται στο νόμο Joule-Lenz, που ανακαλύφθηκε το 1841 από τον James Joule και ανεξάρτητα το 1842 από τον Emil Lenz.

Αυτός ο νόμος ποσοτικοποιεί τη θερμική επίδραση ενός ηλεκτρικού ρεύματος.Διατυπώνεται ως εξής: «Η ισχύς της θερμότητας που απελευθερώνεται ανά μονάδα όγκου (w) του μέσου όταν ρέει ένα συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα σε αυτό είναι ανάλογη με το γινόμενο της πυκνότητας ηλεκτρικού ρεύματος (j) με την τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου (Ε) «.

Για τα λεπτά καλώδια, χρησιμοποιείται η ενιαία μορφή του νόμου: "η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται ανά μονάδα χρόνου από ένα τμήμα του κυκλώματος είναι ανάλογη με το γινόμενο του τετραγώνου του ρεύματος στο εξεταζόμενο τμήμα από την αντίσταση του τμήματος. » Είναι γραμμένο με την ακόλουθη μορφή:

Ο νόμος Joule-Lenz έχει ιδιαίτερη πρακτική σημασία στη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας μέσω καλωδίων μεγάλων αποστάσεων.

Το συμπέρασμα είναι ότι η θερμική επίδραση του ρεύματος στη γραμμή ηλεκτρικής ενέργειας είναι ανεπιθύμητη γιατί οδηγεί σε απώλειες ενέργειας. Και επειδή η μεταδιδόμενη ισχύς εξαρτάται γραμμικά τόσο από την τάση όσο και από το μέγεθος του ρεύματος, ενώ η θερμαντική ισχύς είναι ανάλογη με το τετράγωνο του ρεύματος, είναι πλεονεκτικό να αυξηθεί η τάση στην οποία μεταδίδεται η ηλεκτρική ενέργεια, μειώνοντας ανάλογα το ρεύμα.

Νόμος του Ohm

Ο βασικός νόμος του ηλεκτρικού κυκλώματος - Ο νόμος του Ohm, που ανακαλύφθηκε από τον Georg Ohm το 1826.… Ο νόμος καθορίζει τη σχέση μεταξύ ηλεκτρικής τάσης και ρεύματος ανάλογα με την ηλεκτρική αντίσταση ή την αγωγιμότητα (ηλεκτρική αγωγιμότητα) του καλωδίου. Με σύγχρονους όρους, ο νόμος του Ohm για ένα πλήρες κύκλωμα γράφεται ως εξής:

r — εσωτερική αντίσταση πηγής, R — αντίσταση φορτίου, e — πηγή EMF, I — ρεύμα κυκλώματος

Από αυτή την εγγραφή προκύπτει ότι το EMF σε ένα κλειστό κύκλωμα μέσω του οποίου ρέει το ρεύμα που δίνεται από την πηγή θα είναι ίσο με:

Αυτό σημαίνει ότι για ένα κλειστό κύκλωμα, το emf της πηγής είναι ίσο με το άθροισμα της πτώσης τάσης του εξωτερικού κυκλώματος και της εσωτερικής αντίστασης της πηγής.

Ο νόμος του Ohm διατυπώνεται ως εξής: «το ρεύμα σε ένα τμήμα του κυκλώματος είναι ευθέως ανάλογο με την τάση στα άκρα του και αντιστρόφως ανάλογο με την ηλεκτρική αντίσταση αυτού του τμήματος του κυκλώματος». Μια άλλη σημειογραφία του νόμου του Ohm είναι από την αγωγιμότητα G (ηλεκτρική αγωγιμότητα):

Ο νόμος του Ohm για ένα τμήμα ενός κυκλώματος

Εφαρμογή του νόμου του Ohm στην πράξη

Τι είναι η τάση, το ρεύμα, η αντίσταση και πώς χρησιμοποιούνται στην πράξη