Најважнији закони електродинамике у сажетом и приступачном облику
Значај електродинамике у савременом свету првенствено је повезан са широким техничким могућностима које она отвара за пренос електричне енергије преко жица на велике удаљености, за методе дистрибуције и претварања електричне енергије у друге облике, — механичких, термичких, светлосних итд.
Генерисана у електранама, електрична енергија се шаље километрима далековода — до кућа и индустријских објеката, где електромагнетне силе покрећу моторе различите опреме, кућних апарата, расвете, уређаја за грејање и друго. Једном речју, немогуће је замислити модерну економију и ниједну собу без утичнице на зиду.
Све ово је постало могуће само захваљујући познавању закона електродинамике, што омогућава повезивање теорије са практичном применом електрицитета. У овом чланку ћемо детаљније погледати четири најпрактичнија од ових закона.
Закон електромагнетне индукције
Закон електромагнетне индукције је основа рада свих електричних генератора инсталираних у електранама, а не само. Али све је почело са једва приметном струјом, коју је 1831. открио Мајкл Фарадеј у експерименту са кретањем електромагнета у односу на калем.
Када су Фарадеја питали о изгледима за његово откриће, упоредио је резултат свог експеримента са рођењем детета које тек треба да одрасте. Убрзо је ово новорођенче постало прави херој који је променио лице целог цивилизованог света. Видите — Практична примена закона електромагнетне индукције
Генератор у историјској хидроелектрани у Немачкој
Модерни генератор електране није само калем са магнетом. То је огромна конструкција која садржи челичне конструкције, много намотаја изолованих бакарних сабирница, тоне гвожђа, изолационих материјала, као и велики број ситних делова израђених са прецизношћу до делића милиметра.
У природи се, наравно, не може наћи тако сложен уређај, али природа је у експерименту показала човеку како уређај треба да ради да би произвео електричну енергију механичким покретима под утицајем расположиве спољне силе.
Електрична енергија произведена у електрани се претвара, дистрибуира и поново претвара захваљујући енергетских трансформатора, чији се рад такође заснива на феномену електромагнетне индукције, само трансформатор, за разлику од генератора, у свој дизајн не укључује делове који се стално крећу, већ садржи магнетно коло са калемовима.
Намотај наизменичне струје (примарни намотај) делује на магнетно коло, магнетно коло делује на секундарне намотаје (секундарни намотаји трансформатора). Електрична енергија из секундарних намотаја трансформатора сада се дистрибуира потрошачима. Све ово функционише захваљујући феномену електромагнетне индукције и познавању одговарајућег закона електродинамике, који носи име Фарадеј.
Физичко значење закона електромагнетне индукције је појава вртложног електричног поља када се магнетно поље мења током времена, што се дешава управо у радном трансформатору.
У пракси, када се промени магнетни флукс који продире у површину омеђену проводником, у проводнику се индукује ЕМФ чија је вредност једнака брзини промене магнетног флукса (Ф), док је предзнак индуковане ЕМФ је супротан брзини извршене промене Ф. Овај однос се такође назива „правило протока“:
Поред директне промене магнетног флукса који продире у петљу, могућ је још један метод добијања ЕМФ у њој, — користећи Лоренцову силу.
Величина Лоренцове силе, као што знате, зависи од брзине кретања наелектрисања у магнетном пољу, од величине индукције магнетног поља и од угла под којим се дато наелектрисање креће у односу на вектор индукције. магнетног поља:
Правац Лоренцове силе за позитивно наелектрисање одређен је правилом „леве руке”: ако леву руку поставите тако да вектор магнетне индукције уђе у длан, а четири испружена прста буду постављена у правцу кретања позитивног наелектрисања, онда ће палац савијен под углом од 90 степени показати правац Лоренцове силе.
Најједноставнији пример таквог случаја приказан је на слици. Овде Лоренцова сила узрокује да горњи крај проводника (рецимо, комад бакарне жице) који се креће у магнетном пољу постане позитивно наелектрисан, а његов доњи крај негативно наелектрисан, пошто електрони имају негативан набој и они се крећу овде .
Електрони ће се кретати наниже све док Кулонова привлачност између њих и позитивног наелектрисања на супротној страни жице не уравнотежи Лоренцову силу.
Овај процес изазива појаву ЕМФ индукције у проводнику и, како се испоставило, директно је повезан са законом електромагнетне индукције. У ствари, јачина електричног поља Е у жици се може наћи на следећи начин (претпоставимо да се жица креће под правим углом у односу на вектор Б):
према томе, ЕМФ индукције се може изразити на следећи начин:
Може се приметити да у датом примеру сам магнетни флукс Ф (као објекат) не подлеже променама у простору, али жица прелази подручје где се налази магнетни флукс и лако можете израчунати површину коју жица прелази кретањем кроз ту област простора током датог времена (то јест, брзина промене магнетног флукса поменутог горе).
У општем случају, имамо право да закључимо да је према „правилу флукса“ ЕМФ у колу једнака брзини промене магнетног флукса кроз то коло, узетог са супротним предзнаком, без обзира да ли је вредност флукс Ф се директно мења услед промене индукције магнетног поља са временом у фиксној петљи било као резултат померања (преласка магнетног флукса) или деформације петље или обоје.
Амперов закон
Значајан део енергије произведене у електранама шаље се у предузећа, где се електричном енергијом снабдевају мотори разних машина за сечење метала. Рад електромотора заснива се на разумевању њихових дизајнера Амперов закон.
Овај закон је створио Андре Мари Ампере 1820. године за једносмерне струје (није случајно да се овај закон назива и закон интеракције електричних струја).
Према Амперовом закону, паралелне жице са струјама у истом правцу се међусобно привлаче, а паралелне жице са супротно усмереним струјама се међусобно одбијају. Поред тога, Амперов закон се односи на правило за одређивање силе којом магнетно поље делује на проводник који носи струју у датом пољу.
У једноставном облику, Амперов закон се може изразити на следећи начин: сила (названа Амперова сила) којом магнетно поље делује на елемент проводника са струјом у магнетном пољу је директно пропорционална количини струје у проводнику. а векторски производ елемента дужине жице од вредности магнетне индукције.
Сходно томе, израз за проналажење модула Амперове силе садржи синус угла између вектора магнетне индукције и вектора струје у проводнику на који ова сила делује (да бисте одредили правац Амперове силе, можете користити правило леве руке ):
Примењена на два проводника у интеракцији, Амперова сила ће деловати на сваки од њих у правцу који зависи од одговарајућих смерова струја у тим проводницима.
Претпоставимо да постоје два бесконачно дуга танка проводника у вакууму са струјама И1 и И2, а растојање између проводника свуда је једнако р.Неопходно је пронаћи амперову силу која делује на јединичну дужину жице (на пример, на прву жицу на страни друге).
Према Био-Саварт-Лапласовом закону, на удаљености р од бесконачног проводника са струјом И2, магнетно поље ће имати индукцију:
Сада можете пронаћи амперову силу која ће деловати на прву жицу која се налази у датој тачки у магнетном пољу (на месту са датом индукцијом):
Интегрисањем овог израза по дужини, а затим заменом дужине једним, добијамо ампер-силу која делује по јединици дужине прве жице на страни друге. Слична сила, само у супротном смеру, деловаће на другу жицу са стране прве.
Без разумевања Амперовог закона, једноставно би било немогуће квалитативно пројектовати и саставити бар један нормалан електромотор.
Принцип рада и дизајн електромотора
Врсте асинхроних електромотора, њихове карактеристике
Јоуле-Ленцов закон
Сва електрична енергија преносни вод, узрокује загревање ових жица. Осим тога, значајна електрична енергија се користи намјењено за напајање разних уређаја за гријање, за загревање волфрамових нити на високе температуре итд. Прорачуни ефекта загревања електричне струје засновани су на Џул-Ленцовом закону, који је 1841. открио Џејмс Џоул и независно 1842. Емил Ленц.
Овај закон квантификује топлотни ефекат електричне струје.Формулише се на следећи начин: „Снага топлоте која се ослобађа по јединици запремине (в) медијума када у њему тече једносмерна електрична струја пропорционална је производу густине електричне струје (ј) на вредност јачине електричног поља. (Е) «.
За танке жице се користи интегрални облик закона: „количина топлоте која се ослобађа у јединици времена из дела кола је пропорционална производу квадрата струје у разматраном пресеку на отпор пресека. » Пише се у следећем облику:
Јоуле-Ленцов закон је од посебне практичне важности у преносу електричне енергије преко жица на велике удаљености.
Закључак је да је топлотни ефекат струје на далековод непожељан јер доводи до губитака енергије. А пошто преношена снага линеарно зависи и од напона и од величине струје, док је снага грејања пропорционална квадрату струје, корисно је повећати напон на коме се преноси електрична енергија, смањујући струју у складу са тим.
Охмов закон
Основни закон електричног кола - Омов закон, који је открио Георг Охм 1826.… Закон одређује однос између електричног напона и струје у зависности од електричног отпора или проводљивости (електричне проводљивости) жице. У модерним терминима, Омов закон за комплетно коло је написан на следећи начин:
р — унутрашњи отпор извора, Р — отпор оптерећења, е — ЕМФ извора, И — струја кола
Из овог записа произилази да ће ЕМФ у затвореном колу кроз које протиче струја коју даје извор бити једнака:
То значи да је за затворено коло изворна емф једнака збиру пада напона спољашњег кола и унутрашњег отпора извора.
Омов закон је формулисан на следећи начин: "струја у делу кола је директно пропорционална напону на његовим крајевима и обрнуто пропорционална електричном отпору овог дела кола." Друга нотација Омовог закона је проводљивост Г (електрична проводљивост):
Примена Омовог закона у пракси
Шта су напон, струја, отпор и како се користе у пракси