Svarīgākie elektrodinamikas likumi kodolīgā un pieejamā veidā
Elektrodinamikas nozīme mūsdienu pasaulē galvenokārt ir saistīta ar plašajām tehniskajām iespējām, ko tā paver elektroenerģijas pārvadei pa tālsatiksmes vadiem, elektroenerģijas sadales metodēm un pārveidošanai citos veidos, — mehāniskās, termiskās, gaismas utt.
Elektrostacijās saražotā elektroenerģija tiek sūtīta pa jūdzēm pa elektrolīnijām — uz mājām un rūpniecības objektiem, kur elektromagnētiskie spēki darbina dažādu iekārtu, sadzīves tehnikas, apgaismojuma, apkures ierīču dzinējus u.c. Vārdu sakot, nav iespējams iedomāties modernu ekonomiku un nevienu istabu bez izejas pie sienas.
Tas viss jebkad kļuva iespējams, tikai pateicoties elektrodinamikas likumu zināšanām, kas ļauj saistīt teoriju ar elektrības praktisko pielietojumu. Šajā rakstā mēs sīkāk aplūkosim četrus vispraktiskākos no šiem likumiem.
Elektromagnētiskās indukcijas likums
Elektromagnētiskās indukcijas likums ir visu spēkstacijās uzstādīto elektrisko ģeneratoru darbības pamatā, un ne tikai. Bet viss sākās ar tikko pamanāmu strāvu, ko 1831. gadā atklāja Maikls Faradejs eksperimentā ar elektromagnēta kustību attiecībā pret spoli.
Kad Faradejam jautāja par viņa atklājuma perspektīvām, viņš eksperimenta rezultātu salīdzināja ar bērna piedzimšanu, kuram vēl jāizaug. Drīz vien šis jaundzimušais kļuva par īstu varoni, kurš mainīja visas civilizētās pasaules seju. Elektromagnētiskās indukcijas likuma praktiskā pielietošana
Ģenerators vēsturiskā hidroelektrostacijā Vācijā
Mūsdienu spēkstacijas ģenerators tā nav tikai spole ar magnētu. Tā ir milzīga konstrukcija, kas satur tērauda konstrukcijas, daudzas izolētu vara kopņu spoles, tonnas dzelzs, izolācijas materiālus, kā arī lielu skaitu sīku detaļu, kas izgatavotas ar precizitāti līdz milimetra daļām.
Dabā, protams, nevar atrast tik sarežģītu ierīci, taču daba eksperimentā parādīja cilvēkam, kā ierīcei jādarbojas, lai ar mehāniskām kustībām ražotu elektrību pieejamā ārējā spēka ietekmē.
Elektrostacijā saražotā elektroenerģija tiek pārveidota, sadalīta un vēlreiz pārveidota, pateicoties jaudas transformatori, kura darbs arī ir balstīts uz elektromagnētiskās indukcijas fenomenu, tikai transformators, atšķirībā no ģeneratora, savā konstrukcijā neietver pastāvīgi kustīgas detaļas, tā vietā ir magnētiskā ķēde ar spolēm.
Maiņstrāvas tinums (primārais tinums) iedarbojas uz magnētisko ķēdi, magnētiskā ķēde iedarbojas uz sekundārajiem tinumiem (transformatora sekundārajiem tinumiem). Elektroenerģija no transformatora sekundārajiem tinumiem tagad tiek sadalīta patērētājiem. Tas viss darbojas, pateicoties elektromagnētiskās indukcijas fenomenam un zināšanām par atbilstošo elektrodinamikas likumu, kas nes nosaukumu Faraday.
Elektromagnētiskās indukcijas likuma fiziskā nozīme ir virpuļveida elektriskā lauka parādīšanās, kad magnētiskais lauks mainās laika gaitā, kas notiek tieši darba transformatorā.
Praksē, mainoties magnētiskajai plūsmai, kas iekļūst virsmā, ko ierobežo vadītājs, vadītājā tiek inducēts EML, kura vērtība ir vienāda ar magnētiskās plūsmas (F) izmaiņu ātrumu, savukārt inducētās EML zīme. ir pretēja veikto izmaiņu ātrumam F. Šo attiecību sauc arī par "plūsmas noteikumu":
Papildus tiešai magnētiskās plūsmas maiņai, kas iekļūst cilpā, ir iespējama cita metode, kā iegūt tajā EML, — izmantojot Lorenca spēku.
Lorenca spēka lielums, kā jūs zināt, ir atkarīgs no lādiņa kustības ātruma magnētiskajā laukā, no magnētiskā lauka indukcijas lieluma un no leņķa, kādā dotais lādiņš pārvietojas attiecībā pret indukcijas vektoru. magnētiskais lauks:
Lorenca spēka virzienu pozitīvam lādiņam nosaka "kreisās rokas" noteikums: ja novietojat kreiso roku tā, lai magnētiskās indukcijas vektors nonāktu plaukstā, un četri izstiepti pirksti tiek novietoti kustības virzienā. pozitīvais lādiņš, tad 90 grādu leņķī saliekts īkšķis norādīs Lorenca spēka virzienu.
Vienkāršākais šāda gadījuma piemērs ir parādīts attēlā. Šeit Lorenca spēks liek magnētiskajā laukā kustīga vadītāja (teiksim, vara stieples gabala) augšējam galam kļūt pozitīvi lādētam un tā apakšējam negatīvam, jo elektroniem ir negatīvs lādiņš un tieši viņi šeit pārvietojas. .
Elektroni virzīsies uz leju, līdz Kulona pievilcība starp tiem un pozitīvais lādiņš stieples pretējā pusē līdzsvaros Lorenca spēku.
Šis process izraisa indukcijas EML parādīšanos vadītājā un, kā izrādījās, ir tieši saistīts ar elektromagnētiskās indukcijas likumu. Faktiski elektriskā lauka intensitāti E stieplē var atrast šādi (pieņemsim, ka vads kustas taisnā leņķī pret vektoru B):
tāpēc indukcijas EML var izteikt šādi:
Var atzīmēt, ka dotajā piemērā pati magnētiskā plūsma F (kā objekts) telpā nemainās, bet vads šķērso laukumu, kurā atrodas magnētiskā plūsma, un jūs varat viegli aprēķināt laukumu, kuru stieple šķērso. pārvietojoties pa šo telpas reģionu noteiktā laikā (tas ir, iepriekš minētās magnētiskās plūsmas izmaiņu ātrums).
Vispārīgā gadījumā ir tiesības secināt, ka saskaņā ar "plūsmas likumu" EML ķēdē ir vienāds ar magnētiskās plūsmas izmaiņu ātrumu caur šo ķēdi, kas ņemta ar pretēju zīmi, neatkarīgi no tā, vai plūsma F tieši mainās magnētiskā lauka indukcijas izmaiņu dēļ ar laiku fiksētā cilpā vai nu pārvietošanās (magnētiskās plūsmas šķērsošanas) vai cilpas deformācijas rezultātā, vai abos gadījumos.
Ampera likums
Ievērojama daļa elektrostacijās saražotās enerģijas tiek nosūtīta uzņēmumiem, kur ar elektrību tiek apgādāti dažādu metāla griešanas iekārtu dzinēji. Elektromotoru darbība balstās uz to konstruktoru izpratni Ampera likums.
Šo likumu 1820. gadā izveidoja Andrē Marī Ampere līdzstrāvām (nav nejaušība, ka šo likumu sauc arī par elektrisko strāvu mijiedarbības likumu).
Saskaņā ar Ampera likumu paralēli vadi ar strāvām vienā virzienā piesaista viens otru, un paralēli vadi ar pretēji vērstu strāvu atgrūž viens otru. Turklāt Ampera likums attiecas uz īkšķa likumu, lai noteiktu spēku, ar kādu magnētiskais lauks iedarbojas uz strāvu nesošo vadītāju noteiktā laukā.
Vienkāršā formā Ampera likumu var formulēt šādi: spēks (saukts par Ampera spēku), ar kādu magnētiskais lauks iedarbojas uz strāvu nesoša vadītāja elementu magnētiskajā laukā, ir tieši proporcionāls strāvas stiprumam vadītājā. un stieples garuma elementa vektorreizinājumu no magnētiskās indukcijas vērtības.
Attiecīgi ampēra spēka moduļa atrašanas izteiksme satur leņķa sinusu starp magnētiskās indukcijas vektoru un strāvas vektoru vadītājā, uz kuru šis spēks iedarbojas (lai noteiktu Ampera spēka virzienu, var izmantot kreisās rokas likumu ):
Attiecinot uz diviem savstarpēji mijiedarbojošiem vadītājiem, ampēra spēks iedarbosies uz katru no tiem virzienā, kas ir atkarīgs no attiecīgajiem strāvu virzieniem šajos vadītājos.
Pieņemsim, ka vakuumā ir divi bezgala gari plāni vadi ar strāvām I1 un I2, un attālums starp vadītājiem visur ir vienāds ar r.Ir jāatrod ampēra spēks, kas iedarbojas uz stieples garuma vienību (piemēram, uz pirmo vadu otrā pusē).
Saskaņā ar Bio-Savart-Laplace likumu, attālumā r no bezgalīga vadītāja ar strāvu I2, magnētiskajam laukam būs indukcija:
Tagad jūs varat atrast ampēra spēku, kas darbosies uz pirmo vadu, kas atrodas noteiktā magnētiskā lauka punktā (vietā ar noteiktu indukciju):
Integrējot šo izteiksmi visā garumā un pēc tam garumu aizstājot ar vienu, mēs iegūstam ampērspēku, kas darbojas uz pirmā stieples garuma vienību otrā pusē. Līdzīgs spēks, tikai pretējā virzienā, iedarbosies uz otro vadu no pirmās puses.
Bez Ampera likuma izpratnes būtu vienkārši neiespējami kvalitatīvi konstruēt un salikt vismaz vienu normālu elektromotoru.
Elektromotora darbības princips un konstrukcija
Asinhrono elektromotoru veidi, to raksturojums
Džoula-Lenca likums
Visa elektriskā enerģija pārvades līnija, izraisa šo vadu uzkaršanu. Turklāt ievērojama elektriskā enerģija tiek izmantota, kā paredzēts, lai darbinātu dažādas sildīšanas ierīces, lai uzsildītu volframa pavedienus līdz augstām temperatūrām utt. Elektriskās strāvas sildīšanas efekta aprēķini ir balstīti uz Džoula-Lenca likumu, ko 1841. gadā atklāja Džeimss Džouls un neatkarīgi 1842. gadā Emils Lencs.
Šis likums nosaka elektriskās strāvas termisko efektu.Tas ir formulēts šādi: "Siltuma jauda, kas izdalās uz vides tilpuma vienību (w), tajā plūstot līdzstrāvai, ir proporcionāla elektriskās strāvas blīvuma (j) reizinājumam ar elektriskā lauka intensitātes vērtību. (E) «.
Plāniem vadiem tiek izmantota likuma neatņemama forma: "siltuma daudzums, kas laika vienībā izdalās no ķēdes posma, ir proporcionāls strāvas kvadrāta reizinājumam attiecīgajā posmā ar sekcijas pretestību. » Tas ir uzrakstīts šādā formā:
Džoula-Lenca likumam ir īpaša praktiska nozīme elektroenerģijas pārvadē pa liela attāluma vadiem.
Secinājums ir tāds, ka strāvas termiskā ietekme uz elektropārvades līniju ir nevēlama, jo tā rada enerģijas zudumus. Un tā kā pārraidītā jauda ir lineāri atkarīga gan no sprieguma, gan no strāvas lieluma, savukārt sildīšanas jauda ir proporcionāla strāvas kvadrātam, ir izdevīgi palielināt spriegumu, pie kura tiek pārraidīta elektroenerģija, attiecīgi samazinot strāvu.
Oma likums
Elektriskās ķēdes pamatlikums - Oma likums, ko atklāja Georgs Omas 1826. gadā.… Likums nosaka attiecības starp elektrisko spriegumu un strāvu atkarībā no stieples elektriskās pretestības vai vadītspējas (elektriskās vadītspējas). Mūsdienu izteiksmē Oma likums pilnīgai ķēdei ir uzrakstīts šādi:
r — avota iekšējā pretestība, R — slodzes pretestība, e — avota EMF, I — ķēdes strāva
No šī ieraksta izriet, ka EML slēgtā ķēdē, caur kuru plūst avota dotā strāva, būs vienāda ar:
Tas nozīmē, ka slēgtai ķēdei avota emf ir vienāds ar ārējās ķēdes sprieguma krituma un avota iekšējās pretestības summu.
Oma likums ir formulēts šādi: "strāva ķēdes posmā ir tieši proporcionāla spriegumam tās galos un apgriezti proporcionāla šīs ķēdes sadaļas elektriskajai pretestībai." Vēl viens Ohma likuma apzīmējums ir pēc vadītspējas G (elektriskā vadītspēja):
Kas ir spriegums, strāva, pretestība un kā tos izmanto praksē