Elektrodünaamika olulisemad seadused kokkuvõtlikul ja kättesaadaval kujul

Elektrodünaamika tähtsust tänapäeva maailmas seostatakse eelkõige selle avanevate laiaulatuslike tehniliste võimalustega elektrienergia ülekandmiseks kaugjuhtmete kaudu, elektri jaotamise ja muuks vormiks muundamiseks, — mehaanilised, termilised, valgus jne.

Elektrijaamades toodetud elektrienergia suunatakse üle kilomeetrite pikkuste elektriliinide – kodudesse ja tööstusrajatistesse, kus elektromagnetilised jõud juhivad erinevate seadmete, kodumasinate, valgustuse, kütteseadmete jm mootoreid. Ühesõnaga on võimatu ette kujutada kaasaegset majandust ja mitte ühtegi tuba ilma seinal oleva pistikupesa.

Kõik see sai kunagi võimalikuks ainult tänu elektrodünaamika seaduste tundmisele, mis võimaldab ühendada teooria elektri praktilise rakendamisega. Käesolevas artiklis vaatleme lähemalt nelja kõige praktilisemat seadust.

Elektromagnetilise induktsiooni seadus

Elektromagnetilise induktsiooni seadus on kõigi elektrijaamadesse paigaldatud elektrigeneraatorite töö aluseks ja mitte ainult. Kuid kõik sai alguse vaevumärgatavast voolust, mille avastas 1831. aastal Michael Faraday elektromagneti liikumisega mähise suhtes.

Kui Faradaylt küsiti tema avastuse väljavaadete kohta, võrdles ta oma katse tulemust lapse sünniga, kes peab veel suureks kasvama. Peagi sai sellest vastsündinust tõeline kangelane, kes muutis kogu tsiviliseeritud maailma palet.Vaata — Elektromagnetilise induktsiooni seaduse praktiline rakendamine

Generaator ajaloolises hüdroelektrijaamas Saksamaal

Kaasaegne elektrijaama generaator see pole lihtsalt magnetiga mähis. See on tohutu konstruktsioon, mis sisaldab teraskonstruktsioone, palju isoleeritud vasest siinide pooli, tonni rauda, ​​isoleermaterjale, aga ka suurt hulka väikeseid detaile, mis on valmistatud kuni millimeetri murdosade täpsusega.

Looduses sellist keerulist seadet loomulikult leida ei saa, kuid loodus näitas katses inimesele, kuidas seade peaks töötama, et saadaoleva välisjõu mõjul mehaaniliste liigutuste abil elektrit tootma.

Elektrijaamas toodetud elekter muundatakse, jaotatakse ja muundatakse uuesti tänu jõutrafod, mille töö põhineb samuti elektromagnetilise induktsiooni fenomenil, ainult trafo, erinevalt generaatorist, ei sisalda oma konstruktsioonis pidevalt liikuvaid osi, selle asemel on sees poolidega magnetahela.

Vahelduvvoolumähis (primaarmähis) mõjub magnetahelale, magnetahel mõjub sekundaarmähistele (trafo sekundaarmähised). Trafo sekundaarmähistest saadav elekter jaotatakse nüüd tarbijatele. Kõik see toimib tänu elektromagnetilise induktsiooni fenomenile ja vastava elektrodünaamika seaduse tundmisele, mis kannab Faraday nime.

Elektromagnetilise induktsiooni seaduse füüsikaline tähendus on pöörisliku elektrivälja tekkimine magnetvälja muutumisel ajas, mis juhtub täpselt töötavas trafos.

Praktikas indutseeritakse juhiga piiratud pinda tungiva magnetvoo muutumisel juhis EMF, mille väärtus on võrdne magnetvoo (F) muutumiskiirusega, samas kui indutseeritud EMF-i märk on vastupidine tehtud muudatuse kiirusele F. Seda seost nimetatakse ka "voolureegliks":

Lisaks silmust läbistava magnetvoo otsesele muutmisele on võimalik ka teine ​​meetod EMF-i saamiseks selles, — kasutades Lorentzi jõudu.

Lorentzi jõu suurus, nagu teate, sõltub laengu liikumise kiirusest magnetväljas, magnetvälja induktsiooni suurusest ja nurgast, mille all antud laeng induktsioonivektori suhtes liigub. magnetväljast:

Positiivse laengu Lorentzi jõu suund määratakse "vasaku käe" reegliga: kui asetate vasaku käe nii, et magnetinduktsiooni vektor siseneb peopesale ja neli väljasirutatud sõrme asetatakse selle liikumise suunas. positiivne laeng, siis 90 kraadi nurga all painutatud pöial näitab Lorentzi jõu suunda.

Sellise juhtumi lihtsaim näide on näidatud joonisel. Siin paneb Lorentzi jõud magnetväljas liikuva juhi (näiteks vasktraadi tüki) ülemise otsa positiivse laengu ja selle alumine ots negatiivse laengu, kuna elektronidel on negatiivne laeng ja just nemad liiguvad siia. .

Elektronid liiguvad allapoole, kuni nendevaheline Coulombi külgetõmme ja traadi vastasküljel olev positiivne laeng tasakaalustab Lorentzi jõu.

See protsess põhjustab induktsiooni EMF-i ilmnemise juhis ja, nagu selgus, on otseselt seotud elektromagnetilise induktsiooni seadusega. Tegelikult saab juhtme elektrivälja tugevuse E leida järgmiselt (oletame, et juhe liigub vektori B suhtes täisnurga all):

seetõttu saab induktsiooni EMF-i väljendada järgmiselt:

Võib märkida, et antud näites magnetvoog F ise (objektina) ruumis ei muutu, vaid traat läbib magnetvoo asukoha ning saab hõlpsasti välja arvutada pindala, mida traat läbib. liikudes läbi selle ruumipiirkonna etteantud aja jooksul (st ülalmainitud magnetvoo muutumise kiirusega).

Üldjuhul on õigus järeldada, et vastavalt «voolureeglile» on EMF vooluringis võrdne seda ahelat läbiva magnetvoo muutumise kiirusega, võttes arvesse vastupidise märgiga, olenemata sellest, kas voog F muutub otseselt magnetvälja induktsiooni muutumise tõttu ajas fikseeritud ahelas kas nihke (magnetvoo ületamise) või ahela deformatsiooni või mõlema tulemusena.

Ampere'i seadus

Märkimisväärne osa elektrijaamades toodetud energiast suunatakse ettevõtetesse, kus elektriga varustatakse erinevate metallilõikuspinkide mootoreid. Elektrimootorite töö põhineb nende projekteerijate arusaamal Ampere'i seadus.

Selle seaduse lõi Andre Marie Ampere 1820. aastal alalisvoolude jaoks (pole juhus, et seda seadust nimetatakse ka elektrivoolude vastastikmõju seaduseks).

Ampere'i seaduse kohaselt tõmbavad paralleelsed juhtmed, mille voolud on sama suunaga, üksteist ja paralleelsed juhtmed, mille vool on vastupidine, tõrjuvad üksteist. Lisaks viitab Ampere'i seadus rusikareeglile jõu määramiseks, millega magnetväli mõjub antud väljas voolu juhtivale juhile.

Lihtsamal kujul võib Ampere'i seaduse esitada järgmiselt: jõud (nimetatakse Ampere'i jõuks), millega magnetväli mõjutab magnetväljas voolu juhtiva juhi elementi, on otseselt võrdeline juhis oleva vooluhulgaga. ja traadi pikkuse elemendi vektorkorrutis magnetinduktsiooni väärtusest.

Vastavalt sellele sisaldab Ampere'i jõu mooduli leidmise avaldis magnetinduktsiooni vektori ja juhis oleva vooluvektori vahelise nurga siinust, millele see jõud mõjub (Ampere'i jõu suuna määramiseks võite kasutada vasaku käe reeglit ):

Kahele interakteeruvale juhile rakendatuna mõjutab Ampere'i jõud mõlemale neist suunas, mis sõltub nende juhtmete voolude vastavatest suundadest.

Oletame, et vaakumis on kaks lõpmata pikka õhukest juhti, mille voolud on I1 ja I2, ning juhtide vaheline kaugus on kõikjal võrdne r-ga.On vaja leida traadi ühikupikkusele (näiteks esimesele juhtmele teise küljel) mõjuv amperjõud.

Vastavalt Bio-Savart-Laplace'i seadusele, kaugusel r lõpmatust juhist vooluga I2 on magnetväljal induktsioon:

Nüüd leiate amprijõu, mis mõjub esimesele juhtmele, mis asub magnetvälja antud punktis (antud induktsiooniga kohas):

Integreerides selle avaldise pikkuse ulatuses ja asendades seejärel pikkusega ühe, saame teise küljel oleva esimese juhtme pikkuseühiku kohta mõjuva amprijõu. Sarnane jõud, ainult vastassuunas, mõjub teisele juhtmele esimese küljelt.

Ilma Ampere'i seaduse mõistmiseta oleks lihtsalt võimatu kvalitatiivselt projekteerida ja kokku panna vähemalt üht tavalist elektrimootorit.

Elektrimootori tööpõhimõte ja konstruktsioon

Asünkroonsete elektrimootorite tüübid, nende omadused

Joule-Lenzi seadus

Kogu elektrienergia ülekandeliin, põhjustab nende juhtmete kuumenemise. Lisaks kasutatakse märkimisväärset elektrienergiat, mis on ette nähtud erinevate kütteseadmete toiteks, volframkiudude kõrge temperatuurini kuumutamiseks jne. Elektrivoolu soojendava efekti arvutused põhinevad Joule-Lenzi seadusel, mille avastas 1841. aastal James Joule ja iseseisvalt 1842. aastal Emil Lenz.

See seadus kvantifitseerib elektrivoolu termilise efekti.See on sõnastatud järgmiselt: "Soojuse võimsus, mis eraldub keskkonna ruumalaühiku (w) kohta, kui selles voolab alalisvool, on võrdeline elektrivoolu tiheduse (j) korrutisega elektrivälja tugevuse väärtusega. (E) «.

Õhukeste juhtmete puhul kasutatakse seaduse terviklikku vormi: "ahela sektsioonist ajaühikus vabanev soojushulk on võrdeline vaadeldavas sektsioonis oleva voolu ruudu korrutisega sektsiooni takistusega. » See on kirjutatud järgmisel kujul:

Joule-Lenzi seadus on eriti praktilise tähtsusega elektrienergia edastamisel pikamaajuhtmete kaudu.

Järeldus on, et voolu termiline mõju elektriliinile on ebasoovitav, kuna see toob kaasa energiakadusid. Ja kuna edastatav võimsus sõltub lineaarselt nii pingest kui ka voolu suurusest, samas kui küttevõimsus on võrdeline voolu ruuduga, siis on kasulik suurendada pinget, millega elektrit edastatakse, vähendades vastavalt voolu.

Ohmi seadus

Elektriahela põhiseadus - Ohmi seadus, mille avastas Georg Ohm 1826. aastal.… Seadus määrab elektripinge ja voolu vahelise suhte sõltuvalt juhtme elektritakistusest või juhtivusest (elektrijuhtivusest). Tänapäeva mõistes on Ohmi seadus tervikliku vooluringi jaoks kirjutatud järgmiselt:

r — allika sisetakistus, R — koormustakistus, e — allika EMF, I — vooluahela vool

Sellest kirjest järeldub, et suletud ahelas olev EMF, mille kaudu allika antud vool voolab, on võrdne:

See tähendab, et suletud ahela korral võrdub allika emf välise vooluahela pingelanguse ja allika sisetakistuse summaga.

Ohmi seadus on sõnastatud järgmiselt: "voolutugevus vooluringi sektsioonis on otseselt võrdeline pingega selle otstes ja pöördvõrdeline selle vooluahela lõigu elektritakistusega." Ohmi seaduse teine ​​tähistus on juhtivuse G (elektrijuhtivus):

Ohmi seadus vooluringi lõigu kohta

Ohmi seaduse rakendamine praktikas

Mis on pinge, vool, takistus ja kuidas neid praktikas kasutatakse