Les lleis més importants de l'electrodinàmica d'una forma concisa i accessible
La importància de l'electrodinàmica en el món modern està associada principalment a les àmplies possibilitats tècniques que obre per a la transmissió d'energia elèctrica a través de cables de llarga distància, per als mètodes de distribució i conversió d'electricitat en altres formes. de mecànica, tèrmica, lluminosa, etc.
Generada a les centrals elèctriques, l'energia elèctrica s'envia a través de quilòmetres de línies elèctriques: a llars i instal·lacions industrials, on les forces electromagnètiques condueixen els motors de diversos equips, electrodomèstics, il·luminació, dispositius de calefacció i molt més. En una paraula, és impossible imaginar una economia moderna i no una sola habitació sense una presa de corrent a la paret.
Tot això va ser possible només gràcies al coneixement de les lleis de l'electrodinàmica, que permet connectar la teoria amb l'aplicació pràctica de l'electricitat. En aquest article, analitzarem de prop quatre de les lleis més pràctiques.
La llei de la inducció electromagnètica
La llei de la inducció electromagnètica és la base del funcionament de tots els generadors elèctrics instal·lats a les centrals elèctriques, i no només. Però tot va començar amb un corrent amb prou feines perceptible, descobert el 1831 per Michael Faraday en un experiment amb el moviment d'un electroimant en relació a una bobina.
Quan se li va preguntar a Faraday sobre les perspectives del seu descobriment, va comparar el resultat del seu experiment amb el naixement d'un nen que encara ha de créixer. Aviat aquest nounat es va convertir en un veritable heroi que va canviar la cara de tot el món civilitzat. Aplicació pràctica de la llei de la inducció electromagnètica
Un generador en una central hidroelèctrica històrica a Alemanya
Generador de central elèctrica moderna no és només una bobina amb un imant. És una estructura enorme que conté estructures d'acer, moltes bobines de barres de coure aïllades, tones de ferro, materials aïllants, així com un gran nombre de peces petites fabricades amb precisió fins a fraccions de mil·límetre.
A la natura, per descomptat, no es pot trobar un dispositiu tan complex, però la naturalesa en l'experiment va mostrar a l'home com hauria de funcionar el dispositiu per produir electricitat mitjançant moviments mecànics sota la influència d'una força externa disponible.
L'electricitat generada a la central es converteix, es distribueix i es torna a convertir gràcies a transformadors de potència, el treball del qual també es basa en el fenomen de la inducció electromagnètica, només un transformador, a diferència d'un generador, no inclou parts en moviment constant en el seu disseny, sinó que conté un circuit magnètic amb bobines.
Un bobinatge de CA (bobinat primari) actua sobre el circuit magnètic, el circuit magnètic actua sobre els bobinatges secundaris (bobinats secundaris del transformador). L'electricitat dels bobinatges secundaris del transformador es distribueix ara als consumidors. Tot això funciona gràcies al fenomen de la inducció electromagnètica i al coneixement de la corresponent llei de l'electrodinàmica, que porta el nom de Faraday.
El significat físic de la llei de la inducció electromagnètica és l'aparició d'un camp elèctric remolí quan el camp magnètic canvia amb el temps, cosa que passa exactament en un transformador que funciona.
A la pràctica, quan el flux magnètic que penetra a la superfície delimitada pel conductor canvia, s'indueix un EMF al conductor, el valor del qual és igual a la velocitat de canvi del flux magnètic (F), mentre que el signe de l'EMF induït. és oposada a la velocitat del canvi fet F. Aquesta relació també s'anomena "regla de flux":
A més de canviar directament el flux magnètic que penetra el bucle, és possible un altre mètode per obtenir-hi un EMF, - utilitzant la força de Lorentz.
La magnitud de la força de Lorentz, com sabeu, depèn de la velocitat de moviment de la càrrega en un camp magnètic, de la magnitud de la inducció del camp magnètic i de l'angle en què la càrrega donada es mou en relació amb el vector d'inducció. del camp magnètic:
La direcció de la força de Lorentz per a una càrrega positiva ve determinada per la regla de la "mà esquerra": si col·loqueu la mà esquerra de manera que el vector d'inducció magnètica entri al palmell i quatre dits estesos es col·loquen en la direcció del moviment de la càrrega positiva, llavors un polze doblegat a 90 graus indicarà la direcció de la força de Lorentz.
L'exemple més senzill d'aquest cas es mostra a la figura. Aquí, la força de Lorentz fa que l'extrem superior d'un conductor (per exemple, un tros de fil de coure) que es mou en un camp magnètic es carregui positivament i el seu extrem inferior es carregui negativament, ja que els electrons tenen càrrega negativa i són ells qui es mouen aquí. .
Els electrons es mouran cap avall fins que l'atracció de Coulomb entre ells i la càrrega positiva del costat oposat del cable equilibri la força de Lorentz.
Aquest procés provoca l'aparició d'EMF d'inducció en el conductor i, com va resultar, està directament relacionat amb la llei de la inducció electromagnètica. De fet, la intensitat del camp elèctric E al cable es pot trobar de la següent manera (suposem que el cable es mou en angle recte amb el vector B):
per tant, la FEM de la inducció es pot expressar de la següent manera:
Es pot assenyalar que en l'exemple donat, el propi flux magnètic F (com a objecte) no experimenta canvis a l'espai, però el cable travessa l'àrea on es troba el flux magnètic i podeu calcular fàcilment l'àrea que travessa un cable. movent-se per aquella regió de l'espai durant un temps determinat (és a dir, la velocitat de canvi del flux magnètic esmentat anteriorment).
En el cas general, podem concloure que d'acord amb la «regla del flux» la FEM en un circuit és igual a la velocitat de canvi del flux magnètic a través d'aquest circuit, presa amb el signe contrari, independentment de si el valor de el flux F canvia directament a causa d'un canvi en la inducció del camp magnètic amb el temps en un bucle fix, ja sigui com a resultat del desplaçament (creuant el flux magnètic) o de la deformació del bucle o ambdues.
Llei d'Ampere
Una part important de l'energia generada a les centrals elèctriques s'envia a les empreses, on els motors de diverses màquines de tall de metalls es subministren amb electricitat. El funcionament dels motors elèctrics es basa en la comprensió dels seus dissenyadors Llei d'Ampere.
Aquesta llei va ser creada per Andre Marie Ampere el 1820 per als corrents continus (no és casualitat que aquesta llei també s'anomena llei de la interacció dels corrents elèctrics).
Segons la llei d'Ampere, els cables paral·lels amb corrents en la mateixa direcció s'atrauen, i els cables paral·lels amb corrents de direcció oposada es repel·leixen. A més, la llei d'Ampere fa referència a la regla general per determinar la força amb la qual actua un camp magnètic sobre un conductor que porta corrent en un camp determinat.
D'una forma senzilla, la llei d'Ampere es pot enunciar de la següent manera: la força (anomenada força d'Ampere) amb la qual actua un camp magnètic sobre un element d'un conductor portador de corrent en un camp magnètic és directament proporcional a la quantitat de corrent en el conductor. i el producte vectorial de l'element de la longitud del cable pel valor de la inducció magnètica.
En conseqüència, l'expressió per trobar el mòdul de la força d'Ampere conté el sinus de l'angle entre el vector d'inducció magnètica i el vector actual del conductor sobre el qual actua aquesta força (per determinar la direcció de la força d'Ampere, podeu utilitzar la regla de la mà esquerra). ):
Aplicada a dos conductors que interactuen, la força d'Ampere actuarà sobre cadascun d'ells en una direcció depenent de les direccions respectives dels corrents en aquests conductors.
Suposem que hi ha dos conductors prims infinitament llargs al buit amb corrents I1 i I2, i la distància entre els conductors a tot arreu és igual a r.Cal trobar la força Ampere que actua sobre una unitat de longitud del cable (per exemple, al primer cable al costat del segon).
Segons la llei Bio-Savart-Laplace, a una distància r d'un conductor infinit amb corrent I2, el camp magnètic tindrà una inducció:
Ara podeu trobar la força Ampere que actuarà sobre el primer cable situat en un punt determinat del camp magnètic (en un lloc amb una inducció donada):
Integrant aquesta expressió sobre la longitud, i després substituint-ne una per la longitud, obtenim l'amperforça que actua per unitat de longitud del primer cable al costat del segon. Una força similar, només en sentit contrari, actuarà sobre el segon cable des del costat del primer.
Sense una comprensió de la llei d'Ampere, seria simplement impossible dissenyar i muntar qualitativament almenys un motor elèctric normal.
Principi de funcionament i disseny del motor elèctric
Tipus de motors elèctrics asíncrons, les seves característiques
La llei de Joule-Lenz
Tota energia elèctrica línia de transmissió, fa que aquests cables s'escalfin. A més, s'utilitza una energia elèctrica significativa per alimentar diversos dispositius de calefacció, escalfar filaments de tungstè a altes temperatures, etc. Els càlculs de l'efecte d'escalfament del corrent elèctric es basen en la llei de Joule-Lenz, descoberta el 1841 per James Joule i independentment el 1842 per Emil Lenz.
Aquesta llei quantifica l'efecte tèrmic d'un corrent elèctric.Es formula de la següent manera: "La potència de calor alliberada per unitat de volum (w) del medi quan hi circula un corrent elèctric continu és proporcional al producte de la densitat de corrent elèctric (j) pel valor de la intensitat del camp elèctric. (E) «.
Per als cables prims, s'utilitza la forma integral de la llei: "la quantitat de calor alliberada per unitat de temps d'una secció del circuit és proporcional al producte del quadrat del corrent de la secció considerada per la resistència de la secció. » S'escriu de la forma següent:
La llei de Joule-Lenz té una importància pràctica particular en la transmissió d'energia elèctrica per cables de llarga distància.
La conclusió és que l'efecte tèrmic del corrent sobre la línia elèctrica és indesitjable perquè comporta pèrdues d'energia. I com que la potència transmesa depèn linealment tant de la tensió com de la magnitud del corrent, mentre que la potència de calefacció és proporcional al quadrat del corrent, és avantatjós augmentar la tensió a la qual es transmet l'electricitat, reduint el corrent en conseqüència.
Llei d'Ohm
Llei bàsica del circuit elèctric - La llei d'Ohm, descoberta per Georg Ohm l'any 1826.… La llei determina la relació entre la tensió elèctrica i el corrent en funció de la resistència elèctrica o conductivitat (conductivitat elèctrica) del cable. En termes moderns, la llei d'Ohm per a un circuit complet s'escriu de la següent manera:
r — resistència interna de la font, R — resistència de càrrega, e — font EMF, I — corrent del circuit
D'aquest registre es dedueix que la FEM en un circuit tancat pel qual circula el corrent donat per la font serà igual a:
Això vol dir que per a un circuit tancat, la fem de la font és igual a la suma de la caiguda de tensió del circuit extern i la resistència interna de la font.
La llei d'Ohm es formula de la següent manera: "el corrent en una secció del circuit és directament proporcional a la tensió als seus extrems i inversament proporcional a la resistència elèctrica d'aquesta secció del circuit". Una altra notació de la llei d'Ohm és per conductància G (conductivitat elèctrica):
Llei d'Ohm per a una secció d'un circuit
Aplicació de la llei d'Ohm a la pràctica
Què són la tensió, el corrent, la resistència i com s'utilitzen a la pràctica