Najdôležitejšie zákony elektrodynamiky v stručnej a prístupnej forme
Význam elektrodynamiky v modernom svete súvisí predovšetkým so širokými technickými možnosťami, ktoré otvára pre prenos elektrickej energie po drôtoch na veľké vzdialenosti, pre spôsoby distribúcie a premeny elektriny na iné formy, — mechanické, tepelné, svetelné atď.
Elektrická energia, generovaná v elektrárňach, sa posiela cez kilometre elektrických vedení — do domácností a priemyselných zariadení, kde elektromagnetické sily poháňajú motory rôznych zariadení, domácich spotrebičov, osvetlenia, vykurovacích zariadení a ďalších. Jedným slovom je nemožné si predstaviť modernú ekonomiku a ani jednu miestnosť bez zásuvky na stene.
To všetko sa stalo možným len vďaka znalosti zákonov elektrodynamiky, ktorá umožňuje prepojiť teóriu s praktickou aplikáciou elektriny. V tomto článku sa bližšie pozrieme na štyri najpraktickejšie z týchto zákonov.
Zákon elektromagnetickej indukcie
Zákon elektromagnetickej indukcie je základom fungovania všetkých elektrických generátorov inštalovaných v elektrárňach, a to nielen. Všetko to však začalo sotva viditeľným prúdom, ktorý objavil v roku 1831 Michael Faraday pri experimente s pohybom elektromagnetu vzhľadom na cievku.
Keď sa Faradaya opýtali na vyhliadky svojho objavu, prirovnal výsledok svojho experimentu k narodeniu dieťaťa, ktoré ešte len nevyrastie. Čoskoro sa z tohto novorodenca stal skutočný hrdina, ktorý zmenil tvár celého civilizovaného sveta. Praktická aplikácia zákona elektromagnetickej indukcie
Generátor v historickej vodnej elektrárni v Nemecku
Moderný generátor elektrárne nie je to len cievka s magnetom. Je to obrovská konštrukcia obsahujúca oceľové konštrukcie, množstvo zvitkov izolovaných medených prípojníc, tony železa, izolačné materiály, ako aj veľké množstvo malých dielov vyrobených s presnosťou na zlomky milimetra.
V prírode, samozrejme, takéto zložité zariadenie nenájdeme, ale príroda v experimente ukázala človeku, ako by malo zariadenie fungovať na výrobu elektriny mechanickými pohybmi pod vplyvom dostupnej vonkajšej sily.
Elektrina vyrobená v elektrárni sa premieňa, distribuuje a opäť premieňa vďaka výkonové transformátory, ktorého práca je tiež založená na fenoméne elektromagnetickej indukcie, len transformátor na rozdiel od generátora vo svojej konštrukcii nezahŕňa neustále sa pohybujúce časti, namiesto toho obsahuje magnetický obvod s cievkami.
Na magnetický obvod pôsobí striedavé vinutie (primárne vinutie), magnetický obvod pôsobí na sekundárne vinutia (sekundárne vinutia transformátora). Elektrina zo sekundárnych vinutí transformátora je teraz distribuovaná spotrebiteľom. To všetko funguje vďaka fenoménu elektromagnetickej indukcie a znalosti zodpovedajúceho zákona elektrodynamiky, ktorý nesie meno Faraday.
Fyzikálny význam zákona elektromagnetickej indukcie je objavenie sa vírivého elektrického poľa, keď sa magnetické pole v priebehu času mení, čo sa deje presne v pracovnom transformátore.
V praxi pri zmene magnetického toku prenikajúceho povrchom ohraničeným vodičom sa vo vodiči indukuje EMF, ktorého hodnota sa rovná rýchlosti zmeny magnetického toku (F), pričom znamienko indukovaného EMF je opačný k rýchlosti vykonanej zmeny F. Tento vzťah sa tiež nazýva "pravidlo toku":
Okrem priamej zmeny magnetického toku prenikajúceho do slučky je možný aj iný spôsob získania EMP v ňom, — pomocou Lorentzovej sily.
Veľkosť Lorentzovej sily, ako viete, závisí od rýchlosti pohybu náboja v magnetickom poli, od veľkosti indukcie magnetického poľa a od uhla, pod ktorým sa daný náboj pohybuje vzhľadom na indukčný vektor. magnetického poľa:
Smer Lorentzovej sily pre kladný náboj je určený pravidlom „ľavej ruky“: ak umiestnite ľavú ruku tak, aby vektor magnetickej indukcie vstúpil do dlane a štyri vystreté prsty sú umiestnené v smere pohybu kladný náboj, potom palec ohnutý na 90 stupňov bude indikovať smer Lorentzovej sily.
Najjednoduchší príklad takéhoto prípadu je znázornený na obrázku. Lorentzova sila tu spôsobuje, že horný koniec vodiča (povedzme kus medeného drôtu), ktorý sa pohybuje v magnetickom poli, sa nabije kladne a spodný koniec záporne, pretože elektróny majú záporný náboj a sú to oni, kto sa tu pohybuje. .
Elektróny sa budú pohybovať nadol, kým Coulombova príťažlivosť medzi nimi a kladný náboj na opačnej strane drôtu nevyváži Lorentzovu silu.
Tento proces spôsobuje výskyt EMF indukcie vo vodiči a, ako sa ukázalo, priamo súvisí so zákonom elektromagnetickej indukcie. V skutočnosti intenzitu elektrického poľa E v drôte možno nájsť nasledovne (predpokladajme, že drôt sa pohybuje v pravom uhle k vektoru B):
preto EMF indukcie možno vyjadriť takto:
Možno poznamenať, že v danom príklade samotný magnetický tok F (ako objekt) neprechádza zmenami v priestore, ale drôt prechádza oblasťou, kde sa nachádza magnetický tok, a môžete ľahko vypočítať plochu, ktorú drôt prechádza. pohybom cez tú oblasť priestoru počas daného času (to je rýchlosť zmeny magnetického toku spomenutá vyššie).
Vo všeobecnom prípade sme oprávnení dospieť k záveru, že podľa «pravidla toku» sa EMF v obvode rovná rýchlosti zmeny magnetického toku cez tento obvod, brané s opačným znamienkom, bez ohľadu na to, či hodnota tok F sa priamo mení v dôsledku zmeny indukcie magnetického poľa s časom v pevnej slučke buď v dôsledku posunutia (prekročenia magnetického toku) alebo deformácie slučky alebo oboch.
Amperov zákon
Značná časť energie vyrobenej v elektrárňach sa posiela do podnikov, kde sú motory rôznych strojov na rezanie kovov zásobované elektrickou energiou. Prevádzka elektromotorov je založená na pochopení ich konštruktérov Amperov zákon.
Tento zákon vytvoril Andre Marie Ampere v roku 1820 pre jednosmerné prúdy (nie je náhoda, že sa tento zákon nazýva aj zákon interakcie elektrických prúdov).
Podľa Ampérovho zákona sa paralelné drôty s prúdmi v rovnakom smere navzájom priťahujú a paralelné drôty s opačne smerovanými prúdmi sa odpudzujú. Okrem toho sa Ampérov zákon odvoláva na pravidlo na určenie sily, ktorou magnetické pole pôsobí na vodič s prúdom v danom poli.
V jednoduchej forme možno Ampérov zákon vysloviť takto: sila (nazývaná Ampérova sila), ktorou magnetické pole pôsobí na prvok vodiča s prúdom v magnetickom poli, je priamo úmerná veľkosti prúdu vo vodiči. a vektorový súčin prvku dĺžky drôtu z hodnoty magnetickej indukcie.
V súlade s tým výraz na nájdenie modulu Ampérovej sily obsahuje sínus uhla medzi vektorom magnetickej indukcie a vektorom prúdu vo vodiči, na ktorý táto sila pôsobí (na určenie smeru Ampérovej sily môžete použiť pravidlo ľavej ruky ):
Aplikovaná na dva vzájomne pôsobiace vodiče bude sila Ampéra pôsobiť na každý z nich v smere závislom od príslušných smerov prúdov v týchto vodičoch.
Predpokladajme, že vo vákuu sú dva nekonečne dlhé tenké vodiče s prúdmi I1 a I2 a vzdialenosť medzi vodičmi je všade rovná r.Je potrebné nájsť ampérovú silu pôsobiacu na jednotku dĺžky vodiča (napríklad na prvý vodič na strane druhého).
Podľa zákona Bio-Savart-Laplace, vo vzdialenosti r od nekonečného vodiča s prúdom I2 bude mať magnetické pole indukciu:
Teraz môžete nájsť ampérovú silu, ktorá bude pôsobiť na prvý vodič umiestnený v danom bode magnetického poľa (v mieste s danou indukciou):
Integrovaním tohto výrazu cez dĺžku a následným nahradením jedného za dĺžku získame ampérovú silu pôsobiacu na jednotku dĺžky prvého drôtu na strane druhého. Podobná sila, len v opačnom smere, bude pôsobiť na druhý drôt zo strany prvého.
Bez pochopenia Amperovho zákona by bolo jednoducho nemožné kvalitatívne navrhnúť a zostaviť aspoň jeden normálny elektromotor.
Princíp činnosti a konštrukcia elektromotora
Typy asynchrónnych elektromotorov, ich charakteristiky
Joule-Lenzov zákon
Všetka elektrická energia prenosová linka, spôsobí zahriatie týchto vodičov. Okrem toho sa značná elektrická energia používa na napájanie rôznych vykurovacích zariadení, na zahrievanie volfrámových vlákien na vysoké teploty atď. Výpočty zahrievacieho účinku elektrického prúdu sú založené na Joule-Lenzovom zákone, ktorý objavil v roku 1841 James Joule a nezávisle v roku 1842 Emil Lenz.
Tento zákon kvantifikuje tepelný účinok elektrického prúdu.Je formulovaný takto: „Výkon tepla uvoľneného na jednotku objemu (w) média, keď v ňom preteká jednosmerný elektrický prúd, je úmerný súčinu hustoty elektrického prúdu (j) hodnotou intenzity elektrického poľa. (E) «.
Pre tenké drôty sa používa integrálna forma zákona: „množstvo tepla uvoľneného za jednotku času z časti obvodu je úmerné súčinu druhej mocniny prúdu v uvažovanom úseku odporom úseku. » Je napísaný v nasledujúcom tvare:
Joule-Lenzov zákon má osobitný praktický význam pri prenose elektrickej energie po drôtoch na veľké vzdialenosti.
Záver je, že tepelný účinok prúdu na elektrické vedenie je nežiaduci, pretože vedie k energetickým stratám. A keďže prenášaný výkon závisí lineárne od napätia aj od veľkosti prúdu, pričom vykurovací výkon je úmerný druhej mocnine prúdu, je výhodné zvýšiť napätie, pri ktorom sa elektrina prenáša, a zodpovedajúcim spôsobom znížiť prúd.
Ohmov zákon
Základný zákon elektrického obvodu - Ohmov zákon, ktorý objavil Georg Ohm v roku 1826.… Zákon určuje vzťah medzi elektrickým napätím a prúdom v závislosti od elektrického odporu alebo vodivosti (elektrickej vodivosti) drôtu. V moderných podmienkach je Ohmov zákon pre úplný obvod napísaný takto:
r — vnútorný odpor zdroja, R — odpor záťaže, e — EMF zdroja, I — prúd obvodu
Z tohto záznamu vyplýva, že EMF v uzavretom okruhu, cez ktorý preteká prúd daný zdrojom, sa bude rovnať:
To znamená, že pre uzavretý obvod sa emf zdroja rovná súčtu poklesu napätia vonkajšieho obvodu a vnútorného odporu zdroja.
Ohmov zákon je formulovaný takto: „Prúd v časti obvodu je priamo úmerný napätiu na jeho koncoch a nepriamo úmerný elektrickému odporu tejto časti obvodu. Ďalšie označenie Ohmovho zákona je pomocou vodivosti G (elektrická vodivosť):
Aplikácia Ohmovho zákona v praxi
Čo je to napätie, prúd, odpor a ako sa používajú v praxi