Svarbiausi elektrodinamikos dėsniai glausta ir prieinama forma

Elektrodinamikos svarba šiuolaikiniame pasaulyje pirmiausia siejama su plačiomis techninėmis galimybėmis, kurias ji atveria elektros energijai perduoti tolimais laidais, elektros paskirstymo ir pavertimo kitomis formomis būdus, — mechaninių, terminių, šviesos ir kt.

Elektrinėse generuojama elektros energija kilometrais nutiesta elektros linijų – į namus ir pramonės objektus, kur elektromagnetinės jėgos varo įvairių įrenginių, buitinių prietaisų, apšvietimo, šildymo prietaisų ir kt. variklius. Žodžiu, neįmanoma įsivaizduoti šiuolaikinės ekonomikos ir nė vieno kambario be išėjimo ant sienos.

Visa tai kada nors tapo įmanoma tik elektrodinamikos dėsnių išmanymo dėka, leidžiančių teoriją susieti su praktiniu elektros taikymu. Šiame straipsnyje atidžiau pažvelgsime į keturis praktiškiausius iš šių įstatymų.

Elektromagnetinės indukcijos dėsnis

Elektromagnetinės indukcijos dėsnis yra visų elektrinėse įrengtų elektros generatorių veikimo pagrindas, ir ne tik. Tačiau viskas prasidėjo nuo vos pastebimos srovės, kurią 1831 m. atrado Michaelas Faradėjus eksperimentuodamas su elektromagneto judėjimu ritės atžvilgiu.

Kai Faradėjaus buvo paklaustas apie jo atradimo perspektyvas, jis palygino savo eksperimento rezultatą su vaiko, kuris dar turi užaugti, gimimu. Netrukus šis naujagimis tapo tikru didvyriu, kuris pakeitė viso civilizuoto pasaulio veidą. Praktinis elektromagnetinės indukcijos dėsnio taikymas

Generatorius istorinėje hidroelektrinėje Vokietijoje

Modernus elektrinės generatorius tai ne tik ritė su magnetu. Tai didžiulė konstrukcija, susidedanti iš plieninių konstrukcijų, daugybės izoliuotų varinių šynų ritinių, tonų geležies, izoliacinių medžiagų, taip pat daugybė smulkių detalių, pagamintų iki milimetro dalių tikslumu.

Žinoma, gamtoje tokio sudėtingo įrenginio nepavyksta rasti, tačiau gamta eksperimento metu parodė žmogui, kaip prietaisas turi veikti, kad gamintų elektrą mechaniniais judesiais, veikiant turimai išorinei jėgai.

Jėgainėje pagaminta elektros energija konvertuojama, paskirstoma ir vėl konvertuojama dėka galios transformatoriai, kurio darbas taip pat pagrįstas elektromagnetinės indukcijos reiškiniu, tik transformatorius, skirtingai nei generatorius, į savo konstrukciją neįtraukia nuolat judančių dalių, vietoj to yra magnetinė grandinė su ritėmis.

Kintamosios srovės apvija (pirminė apvija) veikia magnetinę grandinę, magnetinė – antrines apvijas (transformatoriaus antrines apvijas). Elektra iš transformatoriaus antrinių apvijų dabar paskirstoma vartotojams. Visa tai veikia dėl elektromagnetinės indukcijos reiškinio ir žinių apie atitinkamą elektrodinamikos dėsnį, kuris pavadintas Faradėjaus vardu.

Fizinė elektromagnetinės indukcijos dėsnio prasmė yra sūkurinio elektrinio lauko atsiradimas, kai magnetinis laukas keičiasi laikui bėgant, o tai vyksta būtent veikiančiame transformatoriuje.

Praktikoje, kai keičiasi laidininko ribojamą paviršių prasiskverbiantis magnetinis srautas, laidininke indukuojamas EML, kurio reikšmė lygi magnetinio srauto kitimo greičiui (F), o indukuoto EML ženklas. yra priešingas atlikto pakeitimo greičiui F. Šis ryšys taip pat vadinamas „tėkmės taisykle“:

Be tiesioginio magnetinio srauto, prasiskverbiančio į kilpą, pakeitimo, galimas kitas būdas gauti EML, — naudojant Lorenco jėgą.

Lorenco jėgos dydis, kaip žinote, priklauso nuo krūvio judėjimo greičio magnetiniame lauke, nuo magnetinio lauko indukcijos dydžio ir nuo kampo, kuriuo šis krūvis juda indukcijos vektoriaus atžvilgiu. magnetinio lauko:

Teigiamo krūvio Lorenco jėgos kryptis nustatoma pagal „kairiosios rankos“ taisyklę: jei kairiąją ranką pastatysite taip, kad magnetinės indukcijos vektorius patektų į delną, o keturi ištiesti pirštai padėtų judesio kryptimi. teigiamas krūvis, tada 90 laipsnių kampu sulenktas nykštys parodys Lorenco jėgos kryptį.

Paprasčiausias tokio atvejo pavyzdys parodytas paveikslėlyje. Čia dėl Lorenco jėgos magnetiniame lauke judančio laidininko (tarkim, varinės vielos gabalo) viršutinis galas įkraunamas teigiamai, o apatinis – neigiamas, nes elektronai turi neigiamą krūvį ir būtent jie čia juda. .

Elektronai judės žemyn, kol Kulono trauka tarp jų ir teigiamas krūvis priešingoje laido pusėje subalansuos Lorenco jėgą.

Šis procesas sukelia indukcijos EML atsiradimą laidininke ir, kaip paaiškėjo, yra tiesiogiai susijęs su elektromagnetinės indukcijos dėsniu. Tiesą sakant, elektrinio lauko stiprumą E laidoje galima rasti taip (tarkime, kad viela juda stačiu kampu vektoriui B):

todėl indukcijos EML gali būti išreikštas taip:

Galima pastebėti, kad pateiktame pavyzdyje pats magnetinis srautas F (kaip objektas) nesikeičia erdvėje, tačiau viela kerta sritį, kurioje yra magnetinis srautas, ir jūs galite lengvai apskaičiuoti plotą, kurį kerta viela. judant per tą erdvės sritį per tam tikrą laiką (tai yra aukščiau paminėto magnetinio srauto kitimo greitis).

Bendruoju atveju galime daryti išvadą, kad pagal „srauto taisyklę“ EML grandinėje yra lygus magnetinio srauto per tą grandinę kitimo greičiui, paimtam su priešingu ženklu, neatsižvelgiant į tai, ar srautas F tiesiogiai kinta dėl magnetinio lauko indukcijos pasikeitimo laikui bėgant fiksuotoje kilpoje arba dėl poslinkio (magnetinio srauto kirtimo), arba dėl kilpos deformacijos, arba dėl abiejų.

Ampero dėsnis

Nemaža dalis elektrinėse pagamintos energijos siunčiama į įmones, kuriose elektros energija tiekiami įvairių metalo pjovimo staklių varikliai. Elektros variklių veikimas pagrįstas jų projektuotojų supratimu Ampero dėsnis.

Šį dėsnį 1820 metais sukūrė Andre Marie Ampere nuolatinėms srovėms (neatsitiktinai šis dėsnis dar vadinamas elektros srovių sąveikos dėsniu).

Pagal Ampero dėsnį lygiagretūs laidai, kurių srovės eina ta pačia kryptimi, traukia vienas kitą, o lygiagretūs laidai su priešingos krypties srovėmis vienas kitą atstumia. Be to, Ampero dėsnis nurodo nykščio taisyklę, leidžiančią nustatyti jėgą, kuria magnetinis laukas veikia srovę nešantį laidininką tam tikrame lauke.

Paprasta forma Ampero dėsnį galima išreikšti taip: jėga (vadinama Ampero jėga), kuria magnetinis laukas veikia srovę nešančio laidininko elementą magnetiniame lauke, yra tiesiogiai proporcinga srovės dydžiui laidininke. o laido ilgio elemento vektorinę sandaugą nuo magnetinės indukcijos vertės.

Atitinkamai, Ampero jėgos modulio nustatymo išraiška apima kampo tarp magnetinės indukcijos vektoriaus ir srovės vektoriaus sinusą laidininke, kurį veikia ši jėga (norėdami nustatyti Ampero jėgos kryptį, galite naudoti kairiosios rankos taisyklę ):

Taikant du sąveikaujančius laidininkus, Ampero jėga veiks kiekvieną iš jų ta kryptimi, kuri priklauso nuo atitinkamų tų laidininkų srovių krypčių.

Tarkime, kad vakuume yra du be galo ilgi ploni laidininkai, kurių srovės I1 ir I2, o atstumas tarp laidininkų visur lygus r.Būtina rasti ampero jėgą, veikiančią vielos ilgio vienetą (pavyzdžiui, pirmąjį laidą antrojo šone).

Pagal Bio-Savart-Laplace įstatymą, atstumu r nuo begalinio laidininko, kurio srovė I2, magnetinis laukas turės indukciją:

Dabar galite rasti ampero jėgą, kuri veiks pirmąjį laidą, esantį tam tikrame magnetinio lauko taške (tam tikroje indukcijoje):

Integravę šią išraišką per ilgį, o po to ilgį pakeisdami viena, gauname amperinę jėgą, veikiančią pirmojo laido ilgio vienetą antrojo šone. Panaši jėga, tik priešinga kryptimi, veiks antrąjį laidą iš pirmojo šono.

Nesuvokus Ampero dėsnio, kokybiškai suprojektuoti ir surinkti bent vieną normalų elektros variklį būtų tiesiog neįmanoma.

Elektros variklio veikimo principas ir konstrukcija

Asinchroninių elektros variklių tipai, jų charakteristikos

Džaulio-Lenco dėsnis

Visa elektros energija perdavimo linija, šie laidai įkaista. Be to, didelė elektros energija naudojama įvairiems šildymo prietaisams maitinti, volframo siūlams įkaitinti iki aukštos temperatūros ir pan. Elektros srovės kaitinimo efekto skaičiavimai pagrįsti Džaulio-Lenco dėsniu, kurį 1841 m. atrado Jamesas Joule'as ir nepriklausomai 1842 m. Emilis Lenzas.

Šis dėsnis kiekybiškai įvertina elektros srovės šiluminį poveikį.Jis suformuluotas taip: „Šilumos galia, išsiskirianti terpės tūrio vienetui (w), kai joje teka nuolatinė elektros srovė, yra proporcinga elektros srovės tankio (j) sandaugai iš elektrinio lauko stiprio vertės. (E) «.

Ploniems laidams naudojama integrali įstatymo forma: „šilumos kiekis, išsiskiriantis per laiko vienetą iš grandinės atkarpos, yra proporcingas srovės kvadrato sandaugai nagrinėjamoje atkarpoje pagal atkarpos varžą. » Tai parašyta tokia forma:

Džaulio-Lenco dėsnis turi ypatingą praktinę reikšmę perduodant elektros energiją tolimojo atstumo laidais.

Peršasi išvada, kad šiluminis srovės poveikis elektros linijai yra nepageidautinas, nes dėl to prarandama energija. O kadangi perduodama galia tiesiškai priklauso ir nuo įtampos, ir nuo srovės dydžio, o šildymo galia proporcinga srovės kvadratui, pravartu padidinti įtampą, kuria perduodama elektra, atitinkamai sumažinant srovę.

Omo dėsnis

Pagrindinis elektros grandinės dėsnis – Omo dėsnis, kurį 1826 m. atrado Georgas Ohmas.… Įstatymas nustato ryšį tarp elektros įtampos ir srovės priklausomai nuo laido elektrinės varžos arba laidumo (elektros laidumo). Šiuolaikiniu požiūriu Ohmo dėsnis visai grandinei parašytas taip:

r — šaltinio vidinė varža, R — apkrovos varža, e — šaltinis EMF, I — grandinės srovė

Iš šio įrašo matyti, kad EML uždaroje grandinėje, per kurią teka šaltinio srovė, bus lygi:

Tai reiškia, kad uždaroje grandinėje šaltinio emf yra lygus išorinės grandinės įtampos kritimo ir šaltinio vidinės varžos sumai.

Omo dėsnis suformuluotas taip: „srovė grandinės atkarpoje yra tiesiogiai proporcinga įtampai jos galuose ir atvirkščiai proporcinga šios grandinės atkarpos elektrinei varžai“. Kitas Ohmo dėsnio žymėjimas yra laidumas G (elektros laidumas):

Omo dėsnis grandinės atkarpai

Omo dėsnio taikymas praktikoje

Kas yra įtampa, srovė, varža ir kaip jos naudojamos praktikoje