De belangrijkste wetten van de elektrodynamica in beknopte en toegankelijke vorm

Het belang van elektrodynamica in de moderne wereld wordt voornamelijk geassocieerd met de brede technische mogelijkheden die het opent voor de transmissie van elektrische energie over langeafstandsdraden, voor methoden voor distributie en omzetting van elektriciteit in andere vormen; van mechanisch, thermisch, licht, enz.

Elektrische energie wordt opgewekt in energiecentrales en wordt via kilometerslange elektriciteitsleidingen naar huizen en industriële faciliteiten gestuurd, waar elektromagnetische krachten de motoren van verschillende apparatuur, huishoudelijke apparaten, verlichting, verwarmingstoestellen en meer aandrijven. Kortom, het is onmogelijk om je een moderne economie voor te stellen en geen enkele kamer zonder stopcontact aan de muur.

Dit alles werd ooit alleen mogelijk dankzij de kennis van de wetten van de elektrodynamica, die het mogelijk maakt om de theorie te verbinden met de praktische toepassing van elektriciteit. In dit artikel zullen we vier van de meest praktische van deze wetten nader bekijken.

De wet van elektromagnetische inductie

De wet van elektromagnetische inductie is de basis van de werking van alle elektrische generatoren die in elektriciteitscentrales zijn geïnstalleerd, en niet alleen. Maar het begon allemaal met een nauwelijks waarneembare stroom, ontdekt in 1831 door Michael Faraday in een experiment met de beweging van een elektromagneet ten opzichte van een spoel.

Toen Faraday werd gevraagd naar de vooruitzichten voor zijn ontdekking, vergeleek hij het resultaat van zijn experiment met de geboorte van een kind dat nog moet opgroeien. Al snel werd deze pasgeborene een echte held die het gezicht van de hele beschaafde wereld veranderde. Zie — Praktische toepassing van de wet van elektromagnetische inductie

Een generator bij een historische waterkrachtcentrale in Duitsland

Moderne elektriciteitscentrale generator het is niet zomaar een spoel met een magneet. Het is een enorm bouwwerk met staalconstructies, veel spoelen van geïsoleerde koperen rails, tonnen ijzer, isolatiemateriaal en een groot aantal kleine onderdelen die met precisie tot op een fractie van een millimeter zijn vervaardigd.

In de natuur is zo'n complex apparaat natuurlijk niet te vinden, maar de natuur in het experiment liet de mens zien hoe het apparaat zou moeten werken om elektriciteit te produceren door middel van mechanische bewegingen onder invloed van een beschikbare externe kracht.

De in de elektriciteitscentrale opgewekte elektriciteit wordt dankzij vermogenstransformatoren, wiens werk ook gebaseerd is op het fenomeen van elektromagnetische inductie, alleen een transformator bevat, in tegenstelling tot een generator, geen constant bewegende delen in zijn ontwerp, maar bevat in plaats daarvan een magnetisch circuit met spoelen.

Een AC-wikkeling (primaire wikkeling) werkt op het magnetische circuit, het magnetische circuit werkt op de secundaire wikkelingen (secundaire wikkelingen van de transformator). Elektriciteit uit de secundaire wikkelingen van de transformator wordt nu gedistribueerd naar consumenten. Dit alles werkt dankzij het fenomeen van elektromagnetische inductie en de kennis van de bijbehorende wet van de elektrodynamica, die de naam Faraday draagt.

De fysieke betekenis van de wet van elektromagnetische inductie is het verschijnen van een wervel-elektrisch veld wanneer het magnetische veld in de loop van de tijd verandert, wat precies gebeurt in een werkende transformator.

In de praktijk, wanneer de magnetische flux die het door de geleider begrensde oppervlak binnendringt, verandert, wordt in de geleider een EMF geïnduceerd, waarvan de waarde gelijk is aan de veranderingssnelheid van de magnetische flux (F), terwijl het teken van de geïnduceerde EMF is tegengesteld aan de snelheid van de aangebrachte wijziging F. Deze relatie wordt ook wel de "stroomregel" genoemd:

Naast het direct veranderen van de magnetische flux die de lus binnendringt, is een andere methode om er een EMF in te verkrijgen mogelijk: met behulp van de Lorentzkracht.

De grootte van de Lorentzkracht hangt, zoals u weet, af van de bewegingssnelheid van de lading in een magnetisch veld, van de grootte van de inductie van het magnetische veld en van de hoek waaronder de gegeven lading beweegt ten opzichte van de inductievector van het magnetische veld:

De richting van de Lorentz-kracht voor een positieve lading wordt bepaald door de "linkerhand"-regel: als u uw linkerhand zo plaatst dat de vector van magnetische inductie de handpalm binnengaat, en vier uitgestrekte vingers worden geplaatst in de bewegingsrichting van de positieve lading, dan zal een 90 graden gebogen duim de richting van de Lorentzkracht aangeven.

Het eenvoudigste voorbeeld van zo'n geval wordt getoond in de figuur. Hier zorgt de Lorentz-kracht ervoor dat het bovenste uiteinde van een geleider (bijvoorbeeld een stuk koperdraad) dat in een magnetisch veld beweegt, positief geladen wordt en het onderste uiteinde negatief geladen, aangezien elektronen een negatieve lading hebben en zij het zijn die hierheen bewegen .

De elektronen zullen naar beneden bewegen totdat de Coulomb-aantrekking tussen hen en de positieve lading aan de andere kant van de draad de Lorentz-kracht in evenwicht brengt.

Dit proces veroorzaakt het verschijnen van EMF van inductie in de geleider en, zoals later bleek, is direct gerelateerd aan de wet van elektromagnetische inductie. In feite kan de elektrische veldsterkte E in de draad als volgt worden gevonden (stel dat de draad loodrecht op de vector B beweegt):

daarom kan de EMF van de inductie als volgt worden uitgedrukt:

Opgemerkt kan worden dat in het gegeven voorbeeld de magnetische flux F zelf (als object) geen veranderingen in de ruimte ondergaat, maar dat de draad het gebied doorkruist waar de magnetische flux zich bevindt, en u kunt eenvoudig het gebied berekenen dat een draad doorkruist door gedurende een bepaalde tijd door dat gebied in de ruimte te bewegen (dat wil zeggen, de mate van verandering van de hierboven genoemde magnetische flux).

In het algemeen mogen we concluderen dat volgens de «fluxregel» de EMF in een circuit gelijk is aan de veranderingssnelheid van de magnetische flux door dat circuit, genomen met het tegengestelde teken, ongeacht of de waarde van de flux F verandert direct als gevolg van een verandering in de inductie van het magnetische veld in de tijd bij een vaste lus, hetzij als gevolg van verplaatsing (overschrijding van de magnetische flux) of vervorming van de lus of beide.

De wet van Ampere

Een aanzienlijk deel van de energie die in energiecentrales wordt opgewekt, gaat naar bedrijven, waar de motoren van verschillende metaalsnijmachines van elektriciteit worden voorzien. De werking van elektromotoren is gebaseerd op het inzicht van hun ontwerpers De wet van Ampere.

Deze wet is in 1820 bedacht door Andre Marie Ampere voor gelijkstromen (het is geen toeval dat deze wet ook wel de wet van de wisselwerking van elektrische stromen wordt genoemd).

Volgens de wet van Ampere trekken parallelle draden met stromen in dezelfde richting elkaar aan en stoten parallelle draden met tegengesteld gerichte stromen elkaar af. Bovendien verwijst de wet van Ampere naar de vuistregel voor het bepalen van de kracht waarmee een magnetisch veld inwerkt op een stroomvoerende geleider in een bepaald veld.

In een eenvoudige vorm kan de wet van Ampere als volgt worden uitgedrukt: de kracht (de kracht van Ampere genoemd) waarmee een magnetisch veld inwerkt op een element van een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld is rechtevenredig met de hoeveelheid stroom in de geleider en het vectorproduct van het element van de lengte van de draad van de waarde van de magnetische inductie.

Dienovereenkomstig bevat de uitdrukking voor het vinden van de krachtmodulus van Ampère de sinus van de hoek tussen de magnetische inductievector en de stroomvector in de geleider waarop deze kracht werkt (om de richting van de kracht van Ampère te bepalen, kunt u de linkerhandregel gebruiken ):

Toegepast op twee op elkaar inwerkende geleiders, zal de kracht van Ampere op elk van hen inwerken in een richting die afhankelijk is van de respectieve richtingen van de stromen in die geleiders.

Stel dat er twee oneindig lange dunne geleiders in vacuüm zijn met stromen I1 en I2, en de afstand tussen de geleiders is overal gelijk aan r.Het is noodzakelijk om de Ampere-kracht te vinden die werkt op een lengte-eenheid van de draad (bijvoorbeeld op de eerste draad aan de zijkant van de tweede).

Volgens de wet Bio-Savart-Laplace, op een afstand r van een oneindige geleider met stroom I2, zal het magnetische veld een inductie hebben:

Nu kun je de Ampere-kracht vinden die zal werken op de eerste draad die zich op een bepaald punt in het magnetische veld bevindt (op een plaats met een bepaalde inductie):

Door deze uitdrukking over de lengte te integreren en vervolgens de lengte door één te vervangen, verkrijgen we de ampèrekracht die werkt per lengte-eenheid van de eerste draad aan de zijde van de tweede. Een vergelijkbare kracht, alleen in de tegenovergestelde richting, zal vanaf de zijkant van de eerste op de tweede draad werken.

Zonder kennis van de wet van Ampere zou het eenvoudigweg onmogelijk zijn om ten minste één normale elektromotor kwalitatief te ontwerpen en te assembleren.

Werkingsprincipe en ontwerp van de elektromotor

Soorten asynchrone elektromotoren, hun kenmerken

De wet van Joule-Lenz

Alle elektrische energie transmissielijn, zorgt ervoor dat deze draden warm worden. Bovendien wordt er aanzienlijke elektrische energie gebruikt zoals bedoeld om verschillende verwarmingsapparaten van stroom te voorzien, om wolfraamfilamenten tot hoge temperaturen te verhitten, enz. Berekeningen van het verwarmingseffect van elektrische stroom zijn gebaseerd op de wet van Joule-Lenz, ontdekt in 1841 door James Joule en onafhankelijk in 1842 door Emil Lenz.

Deze wet kwantificeert het thermisch effect van een elektrische stroom.Het is als volgt geformuleerd: "Het warmtevermogen dat vrijkomt per volume-eenheid (w) van het medium wanneer er een elektrische gelijkstroom doorheen stroomt, is evenredig met het product van de elektrische stroomdichtheid (j) met de waarde van de elektrische veldsterkte (E) «.

Voor dunne draden wordt de integrale vorm van de wet gebruikt: "de hoeveelheid warmte die per tijdseenheid vrijkomt uit een sectie van het circuit is evenredig met het product van het kwadraat van de stroom in de beschouwde sectie door de weerstand van de sectie. » Het is geschreven in de volgende vorm:

De wet van Joule-Lenz is van bijzonder praktisch belang bij de overdracht van elektrische energie over langeafstandsdraden.

De conclusie is dat het thermisch effect van de stroom op de hoogspanningslijn ongewenst is omdat het leidt tot energieverliezen. En aangezien het uitgezonden vermogen lineair afhangt van zowel de spanning als de grootte van de stroom, terwijl het verwarmingsvermogen evenredig is met het kwadraat van de stroom, is het voordelig om de spanning waarmee elektriciteit wordt overgedragen te verhogen, waardoor de stroom dienovereenkomstig wordt verminderd.

De wet van Ohm

De basiswet van een elektrisch circuit - De wet van Ohm, ontdekt door Georg Ohm in 1826.… De wet bepaalt de relatie tussen elektrische spanning en stroom afhankelijk van de elektrische weerstand of geleidbaarheid (elektrische geleidbaarheid) van de draad. In moderne termen wordt de wet van Ohm voor een compleet circuit als volgt geschreven:

r - bron interne weerstand, R - belastingsweerstand, e - bron EMF, I - circuitstroom

Uit dit record volgt dat de EMF in een gesloten circuit waardoor de stroom die door de bron wordt gegeven, gelijk is aan:

Dit betekent dat voor een gesloten circuit de bron-emf gelijk is aan de som van de spanningsval van het externe circuit en de interne weerstand van de bron.

De wet van Ohm is als volgt geformuleerd: «de stroom in een deel van het circuit is recht evenredig met de spanning aan de uiteinden en omgekeerd evenredig met de elektrische weerstand van dit deel van het circuit. Een andere notatie van de wet van Ohm is door geleiding G (elektrische geleidbaarheid):

De wet van Ohm voor een deel van een circuit

Toepassing van de wet van Ohm in de praktijk

Wat zijn spanning, stroom, weerstand en hoe worden ze in de praktijk gebruikt