Najvažniji zakoni elektrodinamike u sažetom i pristupačnom obliku
Važnost elektrodinamike u suvremenom svijetu povezana je prvenstveno sa širokim tehničkim mogućnostima koje ona otvara za prijenos električne energije preko dalekovoda, za metode distribucije i pretvorbe električne energije u druge oblike, — mehaničkih, toplinskih, svjetlosnih itd.
Generirana u elektranama, električna energija šalje se kilometrima dalekovoda — u domove i industrijske objekte, gdje elektromagnetske sile pokreću motore različite opreme, kućanskih aparata, rasvjete, uređaja za grijanje i još mnogo toga. Jednom riječju, nemoguće je zamisliti moderno gospodarstvo i niti jednu sobu bez utičnice na zidu.
Sve je to ikada postalo moguće samo zahvaljujući poznavanju zakona elektrodinamike, što omogućuje povezivanje teorije s praktičnom primjenom električne energije. U ovom ćemo članku pobliže pogledati četiri najpraktičnija zakona.
Zakon elektromagnetske indukcije
Zakon elektromagnetske indukcije temelj je rada svih električnih generatora instaliranih u elektranama, i ne samo. Ali sve je počelo s jedva primjetnom strujom, koju je 1831. godine otkrio Michael Faraday u eksperimentu s kretanjem elektromagneta u odnosu na zavojnicu.
Kad su Faradaya upitali o izgledima za njegovo otkriće, usporedio je rezultat svog eksperimenta s rođenjem djeteta koje tek treba odrasti. Ubrzo je ovo novorođenče postalo pravi heroj koji je promijenio lice cijelog civiliziranog svijeta. Pogledajte — Praktična primjena zakona elektromagnetske indukcije
Generator u povijesnoj hidroelektrani u Njemačkoj
Generator moderne elektrane nije samo zavojnica s magnetom. To je ogromna građevina koja sadrži čelične konstrukcije, mnoge zavojnice izoliranih bakrenih sabirnica, tone željeza, izolacijskih materijala, kao i veliki broj malih dijelova proizvedenih s preciznošću do djelića milimetra.
U prirodi se, naravno, ne može naći tako složena naprava, ali priroda je u eksperimentu pokazala čovjeku kako uređaj treba raditi da mehaničkim pokretima pod utjecajem dostupne vanjske sile proizvodi električnu energiju.
Električna energija proizvedena u elektrani se pretvara, distribuira i ponovno pretvara zahvaljujući energetski transformatori, čiji se rad također temelji na fenomenu elektromagnetske indukcije, samo transformator, za razliku od generatora, ne uključuje stalno pokretne dijelove u svom dizajnu, umjesto toga sadrži magnetski krug sa zavojnicama.
AC namot (primarni namot) djeluje na magnetski krug, magnetski krug djeluje na sekundarne namote (sekundarni namoti transformatora). Električna energija iz sekundarnih namota transformatora sada se distribuira do potrošača. Sve to funkcionira zahvaljujući fenomenu elektromagnetske indukcije i poznavanju pripadajućeg zakona elektrodinamike koji nosi ime Faraday.
Fizikalni smisao zakona elektromagnetske indukcije je pojava vrtložnog električnog polja kada se magnetsko polje mijenja tijekom vremena, što se događa upravo u transformatoru koji radi.
U praksi, kada se promijeni magnetski tok koji prodire kroz površinu omeđenu vodičem, u vodiču se inducira EMF čija je vrijednost jednaka brzini promjene magnetskog toka (F), dok je predznak inducirane EMF je suprotan brzini učinjene promjene F. Ovaj odnos se također naziva "pravilo protoka":
Uz izravnu promjenu magnetskog toka koji prodire u petlju, moguća je druga metoda dobivanja EMF-a u njoj, — koristeći Lorentzovu silu.
Veličina Lorentzove sile, kao što znate, ovisi o brzini kretanja naboja u magnetskom polju, o veličini indukcije magnetskog polja i o kutu pod kojim se navedeni naboj kreće u odnosu na vektor indukcije magnetskog polja:
Smjer Lorentzove sile za pozitivni naboj određen je pravilom "lijeve ruke": ako lijevu ruku postavite tako da vektor magnetske indukcije ulazi u dlan, a četiri ispružena prsta postavite u smjeru kretanja pozitivnog naboja, tada će palac savijen pod 90 stupnjeva pokazati smjer Lorentzove sile.
Najjednostavniji primjer takvog slučaja prikazan je na slici. Ovdje Lorentzova sila uzrokuje da gornji kraj vodiča (recimo, komad bakrene žice) koji se kreće u magnetskom polju postane pozitivno nabijen, a njegov donji kraj negativno nabijen, jer elektroni imaju negativan naboj i oni su ti koji se kreću ovdje .
Elektroni će se kretati prema dolje sve dok Coulombovo privlačenje između njih i pozitivnog naboja na suprotnoj strani žice ne uravnoteži Lorentzovu silu.
Ovaj proces uzrokuje pojavu EMF indukcije u vodiču i, kako se pokazalo, izravno je povezan sa zakonom elektromagnetske indukcije. Zapravo, jakost električnog polja E u žici može se pronaći na sljedeći način (pretpostavimo da se žica kreće pod pravim kutom u odnosu na vektor B):
stoga se EMF indukcije može izraziti na sljedeći način:
Može se primijetiti da se u navedenom primjeru sam magnetski tok F (kao objekt) ne mijenja u prostoru, već žica prelazi područje gdje se nalazi magnetski tok, a lako možete izračunati površinu koju žica prolazi kretanjem kroz to područje prostora tijekom određenog vremena (to jest, brzina promjene gore spomenutog magnetskog toka).
U općem slučaju imamo pravo zaključiti da je prema «pravilu toka» EMF u krugu jednak brzini promjene magnetskog toka kroz taj krug, uzetom s suprotnim predznakom, bez obzira na to je li vrijednost tok F izravno se mijenja zbog promjene indukcije magnetskog polja s vremenom na fiksnoj petlji bilo kao rezultat pomaka (presijecanja magnetskog toka) ili deformacije petlje ili oboje.
Amperov zakon
Značajan dio energije proizvedene u elektranama šalje se u poduzeća, gdje se motori raznih strojeva za rezanje metala opskrbljuju električnom energijom. Rad elektromotora temelji se na razumijevanju njihovih konstruktora Amperov zakon.
Ovaj zakon je stvorio Andre Marie Ampere 1820. godine za istosmjerne struje (nije slučajno da se ovaj zakon naziva i zakon međudjelovanja električnih struja).
Prema Amperovom zakonu, paralelne žice s strujama istog smjera privlače se, a paralelne žice s suprotno usmjerenim strujama odbijaju. Osim toga, Amperov zakon odnosi se na praktično pravilo za određivanje sile kojom magnetsko polje djeluje na vodič kroz koji teče struja u danom polju.
U jednostavnom obliku, Ampereov zakon može se izraziti na sljedeći način: sila (koja se naziva Ampereova sila) kojom magnetsko polje djeluje na element vodiča s strujom u magnetskom polju izravno je proporcionalna količini struje u vodiču a vektorski umnožak elementa duljine žice s vrijednosti magnetske indukcije.
Prema tome, izraz za pronalaženje modula Amperove sile sadrži sinus kuta između vektora magnetske indukcije i vektora struje u vodiču na koji ta sila djeluje (za određivanje smjera Amperove sile, možete koristiti pravilo lijeve ruke ):
Primijenjena na dva vodiča koji međusobno djeluju, Amperova sila će djelovati na svaki od njih u smjeru koji ovisi o odgovarajućim smjerovima struja u tim vodičima.
Pretpostavimo da u vakuumu postoje dva beskonačno duga tanka vodiča sa strujama I1 i I2, a razmak između vodiča posvuda je jednak r.Potrebno je pronaći Amperovu silu koja djeluje na jedinicu duljine žice (na primjer, na prvu žicu na strani druge).
Prema Bio-Savart-Laplaceovom zakonu, na udaljenosti r od beskonačnog vodiča sa strujom I2, magnetsko polje će imati indukciju:
Sada možete pronaći Amperovu silu koja će djelovati na prvu žicu koja se nalazi na određenoj točki u magnetskom polju (na mjestu s određenom indukcijom):
Integrirajući ovaj izraz preko duljine, a zatim zamjenjujući jedan za duljinu, dobivamo amper-silu koja djeluje po jedinici duljine prve žice na stranu druge. Slična sila, samo u suprotnom smjeru, djelovat će na drugu žicu sa strane prve.
Bez razumijevanja Ampereovog zakona bilo bi jednostavno nemoguće kvalitetno dizajnirati i sastaviti barem jedan normalan električni motor.
Princip rada i konstrukcija elektromotora
Vrste asinkronih elektromotora, njihove karakteristike
Joule-Lenzov zakon
Sva električna energija dalekovod, uzrokuje zagrijavanje ovih žica. Osim toga, znatna električna energija se koristi za napajanje raznih grijaćih uređaja, zagrijavanje volframovih niti na visoke temperature itd. Proračuni učinka grijanja električne struje temelje se na Joule-Lenzovom zakonu, koji je 1841. godine otkrio James Joule, a nezavisno 1842. godine Emil Lenz.
Ovaj zakon kvantificira toplinski učinak električne struje.Formulira se na sljedeći način: "Snaga topline koja se oslobađa po jedinici volumena (w) medija kada u njemu teče istosmjerna električna struja proporcionalna je umnošku gustoće električne struje (j) s vrijednošću jakosti električnog polja (E) «.
Za tanke žice koristi se integralni oblik zakona: "količina topline oslobođena u jedinici vremena iz dijela strujnog kruga proporcionalna je umnošku kvadrata struje u razmatranom dijelu s otporom odjeljka. » Piše se u sljedećem obliku:
Joule-Lenzov zakon je od posebne praktične važnosti u prijenosu električne energije preko žica na velike udaljenosti.
Zaključak je da je toplinski učinak struje na dalekovod nepoželjan jer dovodi do gubitaka energije. A budući da prijenosna snaga linearno ovisi i o naponu i o veličini struje, dok je snaga grijanja proporcionalna kvadratu struje, korisno je povećati napon na kojem se prenosi električna energija, smanjujući struju u skladu s tim.
Ohmov zakon
Osnovni zakon električnog kola - Ohmov zakon, koji je otkrio Georg Ohm 1826.… Zakon određuje odnos između električnog napona i struje ovisno o električnom otporu ili vodljivosti (električnoj vodljivosti) žice. U suvremenom smislu, Ohmov zakon za kompletan krug zapisan je na sljedeći način:
r — unutarnji otpor izvora, R — otpor opterećenja, e — EMF izvora, I — struja kruga
Iz ovog zapisa slijedi da će EMF u zatvorenom krugu kroz koji teče struja koju daje izvor biti jednaka:
To znači da je za zatvoreni krug EMF izvora jednaka zbroju pada napona vanjskog kruga i unutarnjeg otpora izvora.
Ohmov zakon formuliran je na sljedeći način: «struja u dijelu strujnog kruga izravno je proporcionalna naponu na njegovim krajevima i obrnuto proporcionalna električnom otporu tog dijela kruga.» Druga oznaka Ohmovog zakona je provodljivost G (električna vodljivost):
Primjena Ohmovog zakona u praksi
Što su napon, struja, otpor i kako se koriste u praksi