Ang pinakamahalagang batas ng electrodynamics sa isang maigsi at naa-access na anyo

Ang kahalagahan ng electrodynamics sa modernong mundo ay pangunahing nauugnay sa malawak na teknikal na mga posibilidad na nagbubukas para sa paghahatid ng elektrikal na enerhiya sa mga malalayong wire, para sa mga paraan ng pamamahagi at conversion ng kuryente sa iba pang mga anyo, - ng mekanikal, thermal, liwanag, atbp.

Binubuo sa mga planta ng kuryente, ang enerhiyang elektrikal ay ipinapadala sa ilang milya ng mga linya ng kuryente — sa mga tahanan at pasilidad na pang-industriya, kung saan ang mga puwersang electromagnetic ay nagtutulak sa mga motor ng iba't ibang kagamitan, mga gamit sa bahay, ilaw, mga kagamitan sa pag-init, at higit pa. Sa isang salita, imposibleng isipin ang isang modernong ekonomiya at hindi isang solong silid na walang labasan sa dingding.

Ang lahat ng ito ay naging posible lamang salamat sa kaalaman sa mga batas ng electrodynamics, na nagpapahintulot na ikonekta ang teorya sa praktikal na aplikasyon ng kuryente. Sa artikulong ito, susuriin natin ang apat sa pinakapraktikal sa mga batas na ito.

Ang batas ng electromagnetic induction

Ang batas ng electromagnetic induction ay ang batayan ng pagpapatakbo ng lahat ng mga electric generator na naka-install sa mga power plant, at hindi lamang. Ngunit ang lahat ay nagsimula sa isang bahagya na kapansin-pansin na kasalukuyang, natuklasan noong 1831 ni Michael Faraday sa isang eksperimento sa paggalaw ng isang electromagnet na may kaugnayan sa isang coil.

Nang tanungin si Faraday tungkol sa mga prospect para sa kanyang pagtuklas, inihambing niya ang resulta ng kanyang eksperimento sa pagsilang ng isang bata na hindi pa lumalaki. Hindi nagtagal ang bagong panganak na ito ay naging isang tunay na bayani na nagpabago sa mukha ng buong sibilisadong mundo.Tingnan — Praktikal na aplikasyon ng batas ng electromagnetic induction

Isang generator sa isang makasaysayang hydroelectric plant sa Germany

Makabagong power plant generator hindi lang ito coil na may magnet. Ito ay isang malaking istraktura na naglalaman ng mga istrukturang bakal, maraming mga coil ng insulated na tansong busbar, toneladang bakal, mga insulating materyales, pati na rin ang isang malaking bilang ng mga maliliit na bahagi na ginawa nang may katumpakan hanggang sa mga fraction ng isang milimetro.

Sa likas na katangian, siyempre, ang gayong kumplikadong aparato ay hindi matatagpuan, ngunit ang kalikasan sa eksperimento ay nagpakita sa tao kung paano dapat gumana ang aparato upang makagawa ng kuryente sa pamamagitan ng mga mekanikal na paggalaw sa ilalim ng impluwensya ng isang magagamit na panlabas na puwersa.

Ang kuryenteng nabuo sa planta ng kuryente ay na-convert, naipamahagi at na-convert muli salamat sa mga transformer ng kuryente, na ang gawain ay batay din sa kababalaghan ng electromagnetic induction, isang transpormer lamang, hindi katulad ng isang generator, ay hindi kasama ang patuloy na paglipat ng mga bahagi sa disenyo nito, sa halip ito ay naglalaman ng isang magnetic circuit na may mga coils.

Ang isang AC winding (primary winding) ay kumikilos sa magnetic circuit, ang magnetic circuit ay kumikilos sa pangalawang windings (secondary windings ng transpormer). Ang kuryente mula sa pangalawang windings ng transpormer ay ipinamamahagi na ngayon sa mga mamimili. Ang lahat ng ito ay gumagana salamat sa kababalaghan ng electromagnetic induction at ang kaalaman sa kaukulang batas ng electrodynamics, na may pangalang Faraday.

Ang pisikal na kahulugan ng batas ng electromagnetic induction ay ang hitsura ng isang eddy electric field kapag nagbabago ang magnetic field sa paglipas ng panahon, na eksaktong nangyayari sa isang gumaganang transpormer.

Sa pagsasagawa, kapag ang magnetic flux na tumagos sa ibabaw na nakatali ng conductor ay nagbabago, ang isang EMF ay na-induce sa conductor, ang halaga nito ay katumbas ng rate ng pagbabago ng magnetic flux (F), habang ang sign ng induced EMF ay kabaligtaran sa rate ng ginawang pagbabago F. Ang relasyong ito ay tinatawag ding "flow rule":

Bilang karagdagan sa direktang pagbabago ng magnetic flux na tumagos sa loop, ang isa pang paraan ng pagkuha ng EMF dito ay posible, - gamit ang puwersa ng Lorentz.

Ang magnitude ng puwersa ng Lorentz, tulad ng alam mo, ay nakasalalay sa bilis ng paggalaw ng singil sa isang magnetic field, sa magnitude ng induction ng magnetic field at sa anggulo kung saan ang ibinigay na singil ay gumagalaw na may kaugnayan sa induction vector. ng magnetic field:

Ang direksyon ng puwersa ng Lorentz para sa isang positibong singil ay tinutukoy ng "kaliwang kamay" na panuntunan: kung iposisyon mo ang iyong kaliwang kamay upang ang vector ng magnetic induction ay pumasok sa palad, at apat na nakaunat na mga daliri ay inilalagay sa direksyon ng paggalaw ng ang positibong singil, pagkatapos ang isang hinlalaki na nakayuko sa 90 degrees ay magsasaad ng direksyon ng puwersa ng Lorentz.

Ang pinakasimpleng halimbawa ng naturang kaso ay ipinapakita sa figure. Dito, ang puwersa ng Lorentz ay nagiging sanhi ng itaas na dulo ng isang konduktor (sabihin, isang piraso ng tansong kawad) na gumagalaw sa isang magnetic field upang maging positibong sisingilin at ang ibabang dulo nito ay negatibong sisingilin, dahil ang mga electron ay may negatibong singil at sila ang gumagalaw dito .

Ang mga electron ay lilipat pababa hanggang sa ang Coulomb attraction sa pagitan nila at ang positibong singil sa kabaligtaran ng wire ay balansehin ang Lorentz force.

Ang prosesong ito ay nagiging sanhi ng paglitaw ng EMF ng induction sa konduktor at, tulad ng nangyari, ay direktang nauugnay sa batas ng electromagnetic induction. Sa katunayan, ang lakas ng electric field E sa wire ay matatagpuan tulad ng sumusunod (ipagpalagay na ang wire ay gumagalaw sa tamang mga anggulo sa vector B):

samakatuwid, ang EMF ng induction ay maaaring ipahayag bilang mga sumusunod:

Maaaring tandaan na sa ibinigay na halimbawa ang magnetic flux F mismo (bilang isang bagay) ay hindi sumasailalim sa mga pagbabago sa espasyo, ngunit ang wire ay tumatawid sa lugar kung saan matatagpuan ang magnetic flux, at madali mong kalkulahin ang lugar na tinatahak ng isang wire. sa pamamagitan ng paglipat sa rehiyong iyon ng espasyo sa isang takdang panahon (iyon ay, ang rate ng pagbabago ng magnetic flux na binanggit sa itaas).

Sa pangkalahatang kaso, kami ay may karapatan na tapusin na ayon sa «flux rule» ang EMF sa isang circuit ay katumbas ng rate ng pagbabago ng magnetic flux sa pamamagitan ng circuit na iyon, na kinuha gamit ang kabaligtaran na sign, hindi alintana kung ang halaga ng ang flux F ay direktang nagbabago dahil sa isang pagbabago sa induction ng magnetic field na may oras sa isang nakapirming loop alinman bilang resulta ng displacement (pagtawid sa magnetic flux) o deformation ng loop o pareho.

Batas ng Ampere

Ang isang makabuluhang bahagi ng enerhiya na nabuo sa mga power plant ay ipinadala sa mga negosyo, kung saan ang mga makina ng iba't ibang mga metal cutting machine ay binibigyan ng kuryente. Ang pagpapatakbo ng mga de-koryenteng motor ay batay sa pag-unawa ng kanilang mga taga-disenyo Batas ng Ampere.

Ang batas na ito ay nilikha ni Andre Marie Ampere noong 1820 para sa mga direktang agos (hindi nagkataon na ang batas na ito ay tinatawag ding batas ng pakikipag-ugnayan ng mga electric current).

Ayon sa batas ng Ampere, ang mga parallel wire na may mga alon sa parehong direksyon ay umaakit sa isa't isa, at ang mga parallel na wire na may magkasalungat na direksyon ay nagtataboy sa isa't isa. Bilang karagdagan, ang batas ng Ampere ay tumutukoy sa panuntunan ng hinlalaki para sa pagtukoy ng puwersa kung saan kumikilos ang isang magnetic field sa isang conductor na nagdadala ng kasalukuyang sa isang partikular na field.

Sa isang simpleng anyo, ang batas ng Ampere ay maaaring sabihin tulad ng sumusunod: ang puwersa (tinatawag na puwersa ng Ampere) kung saan kumikilos ang isang magnetic field sa isang elemento ng isang conductor na nagdadala ng kasalukuyang sa isang magnetic field ay direktang proporsyonal sa dami ng kasalukuyang nasa konduktor. at ang produkto ng vector ng elemento ng haba ng wire mula sa halaga ng magnetic induction.

Alinsunod dito, ang expression para sa paghahanap ng modulus ng puwersa ng Ampere ay naglalaman ng sine ng anggulo sa pagitan ng magnetic induction vector at ng kasalukuyang vector sa conductor kung saan kumikilos ang puwersang ito (upang matukoy ang direksyon ng puwersa ng Ampere, maaari mong gamitin ang panuntunan sa kaliwang kamay. ):

Inilapat sa dalawang nag-uugnay na konduktor, ang puwersa ng Ampere ay kikilos sa bawat isa sa kanila sa isang direksyon na nakadepende sa kani-kanilang direksyon ng mga agos sa mga konduktor na iyon.

Ipagpalagay na mayroong dalawang walang hanggan na manipis na konduktor sa vacuum na may mga alon I1 at I2, at ang distansya sa pagitan ng mga konduktor sa lahat ng dako ay katumbas ng r.Kinakailangang hanapin ang puwersa ng Ampere na kumikilos sa haba ng yunit ng kawad (halimbawa, sa unang kawad sa gilid ng pangalawa).

Ayon sa batas ng Bio-Savart-Laplace, sa layo r mula sa isang walang katapusang konduktor na may kasalukuyang I2, ang magnetic field ay magkakaroon ng induction:

Ngayon ay mahahanap mo ang puwersa ng Ampere na gagana sa unang kawad na matatagpuan sa isang naibigay na punto sa magnetic field (sa isang lugar na may ibinigay na induction):

Isasama ang expression na ito sa haba, at pagkatapos ay palitan ang isa para sa haba, makuha namin ang ampere-force na kumikilos sa bawat haba ng yunit ng unang wire sa gilid ng pangalawa. Ang isang katulad na puwersa, sa kabilang direksyon lamang, ay kikilos sa pangalawang kawad mula sa gilid ng una.

Kung walang pag-unawa sa batas ng Ampere, magiging imposible lamang na husay na magdisenyo at mag-ipon ng kahit isang normal na de-koryenteng motor.

Prinsipyo ng pagpapatakbo at disenyo ng de-koryenteng motor

Mga uri ng asynchronous electric motors, ang kanilang mga katangian

Ang batas ng Joule-Lenz

Lahat ng elektrikal na enerhiya linya ng paghahatid, nagiging sanhi ng pag-init ng mga wire na ito. Bilang karagdagan, ang makabuluhang elektrikal na enerhiya ay ginagamit bilang nilayon upang paganahin ang iba't ibang mga aparato sa pag-init, upang magpainit ng mga filament ng tungsten sa mataas na temperatura, atbp. Ang mga kalkulasyon ng epekto ng pag-init ng electric current ay batay sa batas ng Joule-Lenz, na natuklasan noong 1841 ni James Joule at nang nakapag-iisa noong 1842 ni Emil Lenz.

Tinutukoy ng batas na ito ang thermal effect ng isang electric current.Ito ay binabalangkas tulad ng sumusunod: "Ang kapangyarihan ng init na inilabas sa bawat yunit ng dami (w) ng daluyan kapag ang isang direktang kuryente ay dumadaloy dito ay proporsyonal sa produkto ng densidad ng kasalukuyang kuryente (j) sa halaga ng lakas ng patlang ng kuryente (E) «.

Para sa manipis na mga wire, ang integral na anyo ng batas ay ginagamit: "ang dami ng init na inilabas sa bawat yunit ng oras mula sa isang seksyon ng circuit ay proporsyonal sa produkto ng parisukat ng kasalukuyang sa isinasaalang-alang na seksyon sa pamamagitan ng paglaban ng seksyon. » Ito ay nakasulat sa sumusunod na anyo:

Ang batas ng Joule-Lenz ay partikular na praktikal na kahalagahan sa pagpapadala ng elektrikal na enerhiya sa mga malalayong wire.

Ang konklusyon ay ang thermal effect ng kasalukuyang sa linya ng kuryente ay hindi kanais-nais dahil ito ay humahantong sa pagkawala ng enerhiya. At dahil ang ipinadala na kapangyarihan ay depende sa linearly sa parehong boltahe at ang magnitude ng kasalukuyang, habang ang kapangyarihan ng pag-init ay proporsyonal sa parisukat ng kasalukuyang, ito ay kapaki-pakinabang upang madagdagan ang boltahe kung saan ang kuryente ay ipinadala, na binabawasan ang kasalukuyang naaayon.

Batas ng Ohm

Ang pangunahing batas ng electric circuit - Ang Batas ng Ohm, na natuklasan ni Georg Ohm noong 1826.… Tinutukoy ng batas ang kaugnayan sa pagitan ng electric voltage at current depende sa electrical resistance o conductivity (electrical conductivity) ng wire. Sa modernong mga termino, ang batas ng Ohm para sa isang kumpletong circuit ay nakasulat tulad ng sumusunod:

r - pinagmulan panloob na pagtutol, R - paglaban ng pag-load, e - pinagmulan ng EMF, I - kasalukuyang circuit

Mula sa rekord na ito, sumusunod na ang EMF sa isang closed circuit kung saan ang kasalukuyang ibinibigay ng pinagmulan ay magiging katumbas ng:

Nangangahulugan ito na para sa isang closed circuit, ang source emf ay katumbas ng kabuuan ng pagbaba ng boltahe ng panlabas na circuit at ang panloob na pagtutol ng pinagmulan.

Ang batas ng Ohm ay nabuo tulad ng sumusunod: "ang kasalukuyang sa isang seksyon ng circuit ay direktang proporsyonal sa boltahe sa mga dulo nito at inversely proporsyonal sa electrical resistance ng seksyong ito ng circuit." Ang isa pang notasyon ng batas ng Ohm ay sa pamamagitan ng conductance G (electrical conductivity):

Batas ng Ohm para sa isang seksyon ng isang circuit

Paglalapat ng batas ng Ohm sa pagsasanay

Ano ang boltahe, kasalukuyang, paglaban at kung paano ginagamit ang mga ito sa pagsasanay