Най -важните закони на електродинамиката в сбита и достъпна форма

Значението на електродинамиката в съвременния свят се свързва предимно с широките технически възможности, които тя отваря за предаване на електрическа енергия по проводници на дълги разстояния, за методи на разпределение и преобразуване на електричество в други форми, — на механични, термични, леки и др.

Генерирана в електроцентрали, електрическата енергия се изпраща на много километри по електропроводи — до жилища и промишлени съоръжения, където електромагнитни сили задвижват двигателите на различно оборудване, домакински уреди, осветление, отоплителни устройства и др. С една дума, невъзможно е да си представим съвременна икономика и нито една стая без изход на стената.

Всичко това някога стана възможно само благодарение на познаването на законите на електродинамиката, което позволява да се свърже теорията с практическото приложение на електричеството. В тази статия ще разгледаме по -отблизо четири от най -практичните от тези закони.

Законът на електромагнитната индукция

Законът за електромагнитната индукция е в основата на работата на всички електрически генератори, инсталирани в електроцентрали, а не само. Но всичко започва с едва забележим ток, открит през 1831 г. от Майкъл Фарадей в експеримент с движението на електромагнит спрямо намотка.

Когато Фарадей беше попитан за перспективите за неговото откритие, той сравнява резултата от експеримента си с раждането на дете, което тепърва трябва да порасне. Скоро това новородено се превърна в истински герой, който промени лицето на целия цивилизован свят.Вижте — Практическо приложение на закона за електромагнитната индукция

Генератор в историческа водноелектрическа централа в Германия

Съвременен генератор на електроцентрали не е само бобина с магнит. Това е огромна конструкция, съдържаща стоманени конструкции, много намотки от изолирани медни шини, тонове желязо, изолационни материали, както и голям брой малки части, произведени с прецизност до части от милиметър.

В природата такова сложно устройство, разбира се, не може да бъде намерено, но природата в експеримента показа на човек как устройството трябва да работи за производството на електричество чрез механични движения под въздействието на налична външна сила .

Електричеството, генерирано в електроцентралата, се преобразува, разпределя и преобразува отново благодарение на силови трансформатори, чиято работа също се основава на явлението електромагнитна индукция, само един трансформатор, за разлика от генератора, не включва постоянно движещи се части в своя дизайн, вместо това съдържа магнитна верига с бобини.

Една AC намотка (първична намотка) действа върху магнитната верига, магнитната верига действа върху вторичните намотки (вторични намотки на трансформатора). Електричеството от вторичните намотки на трансформатора вече се разпределя към потребителите. Всичко това работи благодарение на явлението електромагнитна индукция и познаването на съответния закон на електродинамиката, който носи името Фарадей.

Физическият смисъл на закона за електромагнитната индукция е появата на вихрово електрическо поле, когато магнитното поле се променя с течение на времето, което се случва точно в работещ трансформатор.

На практика, когато магнитният поток, проникващ през повърхността, ограничена от проводника, се променя, в проводника се индуцира ЕМП, чиято стойност е равна на скоростта на промяна на магнитния поток (Ф), докато знакът на индуцираната ЕМП е противоположна на скоростта на направената промяна F. Тази връзка се нарича още „правило на потока“:

В допълнение към директната промяна на магнитния поток, проникващ в контура, е възможен друг метод за получаване на ЕМП в него, — използвайки силата на Лоренц.

Величината на силата на Лоренц, както знаете, зависи от скоростта на движение на заряда в магнитно поле, от величината на индукцията на магнитното поле и от ъгъла, под който дадения заряд се движи спрямо вектора на индукция на магнитното поле:

Посоката на силата на Лоренц за положителен заряд се определя от правилото за „лявата ръка“: ако позиционирате лявата си ръка така, че векторът на магнитната индукция да влезе в дланта, а четири протегнати пръста се поставят в посоката на движение на положителния заряд, тогава палецът, огънат на 90 градуса, ще покаже посоката на силата на Лоренц.

Най -простият пример за такъв случай е показан на фигурата. Тук силата на Лоренц кара горния край на проводник (да речем, парче медна тел), движещ се в магнитно поле, да се зарежда положително, а долният му край отрицателно, тъй като електроните имат отрицателен заряд и именно те се движат тук .

Електроните ще се движат надолу, докато силата на кулоновото привличане между тях и положителният заряд от противоположната страна на проводника уравновеси силата на Лоренц.

Този процес причинява появата на ЕРС на индукция в проводника и, както се оказа, е пряко свързан със закона за електромагнитната индукция. Всъщност силата на електрическото поле E в проводника може да се намери както следва (да приемем, че проводникът се движи под прав ъгъл спрямо вектор B):

следователно ЕМП на индукцията може да се изрази по следния начин:

Може да се отбележи, че в дадения пример самият магнитен поток F (като обект) не претърпява промени в пространството, но проводникът пресича областта, в която се намира магнитният поток, и можете лесно да изчислите площта, която проводник преминава, като се движи през тази област на пространството през дадено време (тоест споменатата по -горе скорост на промяна на магнитния поток).

В общия случай имаме право да заключим, че според «правилото за потока» ЕМП в една верига е равна на скоростта на промяна на магнитния поток през тази верига, взета с обратния знак, независимо дали стойността на потока F директно се променя поради промяна в индукцията на магнитното поле с времето при фиксиран контур или в резултат на изместване (пресичане на магнитния поток) или деформация на контура или поради двете заедно.

Законът на Ампер

Значителна част от енергията, генерирана в електроцентралите, се изпраща към предприятия, където двигателите на различни металорежещи машини се захранват с електричество. Действието на електродвигателите се основава на разбирането на техните дизайнери Законът на Ампер.

Този закон е създаден от Андре Мари Ампер през 1820 г. за постоянни токове (не случайно този закон се нарича още закон на взаимодействието на електрическите токове).

Съгласно закона на Ампер, паралелните проводници с токове в една и съща посока взаимно се привличат, а паралелните проводници с противоположно насочени токове се отблъскват. Освен това законът на Ампер се позовава на основното правило за определяне на силата, с която магнитно поле действа върху проводник с ток в дадено поле.

В проста форма законът на Ампер може да бъде формулиран по следния начин: силата (наречена сила на Ампер), с която магнитно поле действа върху елемент от проводник с ток в магнитно поле, е правопропорционално на количеството ток в проводник и векторното произведение на елемента от дължината на проводника от стойността на магнитната индукция.

Съответно изразът за намиране на модула на силата на Ампер съдържа синуса на ъгъла между вектора на магнитната индукция и вектора на тока в проводника, върху който действа тази сила (за да определите посоката на силата на Ампер, можете да използвате лявата правило на ръцете):

Приложена към два взаимодействащи проводника, силата на Ампера ще въздейства върху всеки от тях в посока в зависимост от съответните посоки на токовете в тези проводници.

Да предположим, че във вакуум има два безкрайно дълги тънки проводника с токове I1 и I2, а разстоянието между проводниците навсякъде е равно на r. Необходимо е да се намери силата на Ампера, действаща на единица дължина на проводника (например върху първия проводник от страната на втория).

Според закона Bio-Savart-Laplace, на разстояние r от безкраен проводник с ток I2, магнитното поле ще има индукция:

Сега можете да намерите силата на Ампер, която ще действа върху първия проводник, разположен в дадена точка на магнитното поле (на място с дадена индукция):

Интегрирайки този израз по дължината, и след това замествайки един като дължина, получаваме силата на Ампер, действаща на единица дължина на първия проводник от страната на втория. Подобна сила, само противоположно насочена, ще действа върху втория проводник от страната на първия.

Без разбиране на закона на Ампер, би било просто невъзможно качествено да се проектира и сглоби поне един нормален електродвигател.

Принцип на работа и дизайн на електродвигателя

Видове асинхронни електродвигатели, техните характеристики

Законът на Джоул-Ленц

Цялата електрическа енергия преносна линия, причинява нагряване на тези проводници. Освен това значителна електрическа енергия се използва по предназначение за захранване на различни отоплителни устройства, за нагряване на волфрамови нишки до високи температури и др. Изчисленията на топлинния ефект на електрическия ток се основават на закона на Джоул-Ленц, открит през 1841 г. от Джеймс Джоул и независимо през 1842 г. от Емил Ленц.

Този закон определя количествено топлинния ефект на електрически ток. Той е формулиран по следния начин: „Силата на отделената топлина на единица обем (w) на средата, когато в нея протича постоянен електрически ток, е пропорционална на произведението на плътността на електрическия ток (j) от стойността на електрическото поле якост (E) «.

За тънки проводници се използва интегралната форма на закона: „количеството топлина, отделяно за единица време от участък от веригата, е пропорционално на произведението на квадрата на тока в разглеждания участък от съпротивлението на сечението . » Той е написан в следната форма:

Законът на Джоул-Ленц е от особено практическо значение при предаването на електрическа енергия по проводници на дълги разстояния.

Изводът е, че топлинният ефект на тока върху електропровода е нежелан, тъй като води до загуби на енергия. И тъй като предаваната мощност линейно зависи както от напрежението, така и от големината на тока, докато мощността на нагряване е пропорционална на квадрата на тока, е изгодно да се увеличи напрежението, при което се предава електричество, като съответно се намали токът.

Законът на Ом

Основният закон на електрическата верига — Законът на Ом, открит от Георг Ом през 1826 г.… Законът определя връзката между електрическото напрежение и тока в зависимост от електрическото съпротивление или проводимостта (електрическата проводимост) на проводника. В съвременните термини законът на Ом за пълна верига е написан, както следва:

r — вътрешно съпротивление на източника, R — съпротивление на натоварване, e — източник EMF, I — ток на веригата

От този запис следва, че ЕМП в затворена верига, през която протича токът, даден от източника, ще бъде равен на:

Това означава, че за затворена верига ЕМП на източника е равна на сумата от спада на напрежението на външната верига и на вътрешното съпротивление на източника.

Законът на Ом е формулиран по следния начин: «токът в участък от веригата е правопропорционален на напрежението в краищата му и обратно пропорционален на електрическото съпротивление на този участък от веригата.» Друга нотация на закона на Ом е чрез проводимост G (електрическа проводимост):

Законът на Ом за участък от верига

Приложение на закона на Ом в практиката

Какво представляват напрежението, тока, съпротивлението и как се използват на практика