Nejdůležitější zákony elektrodynamiky ve stručné a přístupné formě
Význam elektrodynamiky v moderním světě je spojen především s širokými technickými možnostmi, které se jí otevírají pro přenos elektrické energie po drátech na velké vzdálenosti, pro způsoby distribuce a přeměny elektřiny na jiné formy, — mechanické, tepelné, světelné atd.
Elektrická energie, generovaná v elektrárnách, se posílá přes kilometry elektrického vedení — do domácností a průmyslových zařízení, kde elektromagnetické síly pohánějí motory různých zařízení, domácích spotřebičů, osvětlení, topných zařízení a dalších. Jedním slovem, je nemožné si představit moderní ekonomiku a ani jednu místnost bez zásuvky na zdi.
To vše bylo vůbec možné jen díky znalosti zákonů elektrodynamiky, která umožňuje propojit teorii s praktickou aplikací elektřiny. V tomto článku se blíže podíváme na čtyři nejpraktičtější z těchto zákonů.
Zákon elektromagnetické indukce
Zákon elektromagnetické indukce je základem provozu všech elektrických generátorů instalovaných v elektrárnách, a nejen to. Všechno to ale začalo sotva znatelným proudem, který objevil v roce 1831 Michael Faraday při experimentu s pohybem elektromagnetu vzhledem k cívce.
Když byl Faraday dotázán na vyhlídky svého objevu, přirovnal výsledek svého experimentu k narození dítěte, které ještě nedospělo. Brzy se z tohoto novorozence stal skutečný hrdina, který změnil tvář celého civilizovaného světa. Praktická aplikace zákona elektromagnetické indukce
Generátor v historické vodní elektrárně v Německu
Moderní generátor elektrárny není to jen cívka s magnetem. Je to obrovská konstrukce obsahující ocelové konstrukce, mnoho svitků izolovaných měděných přípojnic, tuny železa, izolační materiály a také velké množství malých dílů vyrobených s přesností na zlomky milimetru.
V přírodě samozřejmě nelze takto složité zařízení nalézt, ale příroda v experimentu ukázala člověku, jak by zařízení mělo fungovat, aby vyrábělo elektřinu pomocí mechanických pohybů pod vlivem dostupné vnější síly.
Elektřina vyrobená v elektrárně je přeměněna, distribuována a opět přeměněna díky výkonové transformátory, jehož práce je rovněž založena na fenoménu elektromagnetické indukce, pouze transformátor na rozdíl od generátoru nezahrnuje do své konstrukce neustále se pohybující části, místo toho obsahuje magnetický obvod s cívkami.
Střídavé vinutí (primární vinutí) působí na magnetický obvod, magnetický obvod působí na sekundární vinutí (sekundární vinutí transformátoru). Elektřina ze sekundárních vinutí transformátoru je nyní distribuována spotřebitelům. To vše funguje díky fenoménu elektromagnetické indukce a znalosti odpovídajícího zákona elektrodynamiky, který nese jméno Faraday.
Fyzikální význam zákona elektromagnetické indukce je vznik vířivého elektrického pole, když se magnetické pole v průběhu času mění, což se děje přesně v pracovním transformátoru.
V praxi se při změně magnetického toku pronikajícího povrchem ohraničeným vodičem indukuje ve vodiči EMF, jehož hodnota je rovna rychlosti změny magnetického toku (F), přičemž znaménko indukovaného EMF je opakem rychlosti provedené změny F. Tento vztah se také nazývá "pravidlo toku":
Kromě přímé změny magnetického toku pronikajícího do smyčky je možný další způsob získání EMF v ní, — pomocí Lorentzovy síly.
Velikost Lorentzovy síly, jak víte, závisí na rychlosti pohybu náboje v magnetickém poli, na velikosti indukce magnetického pole a na úhlu, pod kterým se daný náboj pohybuje vzhledem k vektoru indukce. magnetického pole:
Směr Lorentzovy síly pro kladný náboj je určen pravidlem „levé ruky“: pokud umístíte levou ruku tak, aby vektor magnetické indukce pronikl do dlaně, a čtyři natažené prsty jsou umístěny ve směru pohybu kladný náboj, pak palec ohnutý na 90 stupňů bude ukazovat směr Lorentzovy síly.
Nejjednodušší příklad takového případu je znázorněn na obrázku. Zde Lorentzova síla způsobí, že horní konec vodiče (řekněme kus měděného drátu), pohybující se v magnetickém poli, se nabije kladně a jeho spodní konec záporně, protože elektrony mají záporný náboj a jsou to oni, kdo se zde pohybuje. .
Elektrony se budou pohybovat dolů, dokud Coulombova přitažlivost mezi nimi a kladný náboj na opačné straně drátu nevyrovná Lorentzovu sílu.
Tento proces způsobuje výskyt EMF indukce ve vodiči a, jak se ukázalo, přímo souvisí se zákonem elektromagnetické indukce. Ve skutečnosti lze intenzitu elektrického pole E v drátu nalézt následovně (předpokládejme, že se drát pohybuje v pravém úhlu k vektoru B):
proto lze EMF indukce vyjádřit následovně:
Je možné poznamenat, že v daném příkladu samotný magnetický tok F (jako objekt) neprochází změnami v prostoru, ale drát prochází oblastí, kde se nachází magnetický tok, a můžete snadno vypočítat plochu, kterou drát prochází. pohybem přes tuto oblast prostoru během daného času (to je výše zmíněná rychlost změny magnetického toku).
V obecném případě jsme oprávněni dospět k závěru, že podle «pravidla toku» se EMF v obvodu rovná rychlosti změny magnetického toku tímto obvodem, brané s opačným znaménkem, bez ohledu na to, zda hodnota tok F se přímo mění v důsledku změny indukce magnetického pole s časem v pevné smyčce buď v důsledku posunutí (křížení magnetického toku) nebo deformace smyčky nebo obojího.
Ampérův zákon
Významná část energie vyrobené v elektrárnách je posílána do podniků, kde jsou elektřinou zásobovány motory různých obráběcích strojů. Provoz elektromotorů je založen na pochopení jejich konstruktérů Ampérův zákon.
Tento zákon vytvořil Andre Marie Ampere v roce 1820 pro stejnosměrné proudy (ne náhodou se tomuto zákonu říká také zákon interakce elektrických proudů).
Podle Ampérova zákona se paralelní dráty s proudy ve stejném směru přitahují a paralelní dráty s opačně nasměrovanými proudy se odpuzují. Ampérův zákon navíc odkazuje na základní pravidlo pro určení síly, se kterou magnetické pole působí na vodič s proudem v daném poli.
V jednoduché podobě lze Ampérův zákon vyjádřit takto: síla (nazývaná Ampérova síla), kterou magnetické pole působí na prvek vodiče s proudem v magnetickém poli, je přímo úměrná velikosti proudu ve vodiči. a vektorový součin prvku délky drátu z hodnoty magnetické indukce.
Podle toho výraz pro zjištění modulu Ampérovy síly obsahuje sinus úhlu mezi vektorem magnetické indukce a vektorem proudu ve vodiči, na který tato síla působí (pro určení směru Ampérovy síly můžete použít pravidlo levé ruky ):
Aplikovaná na dva vzájemně se ovlivňující vodiče bude ampérova síla působit na každý z nich ve směru závislém na příslušných směrech proudů v těchto vodičích.
Předpokládejme, že ve vakuu jsou dva nekonečně dlouhé tenké vodiče s proudy I1 a I2 a vzdálenost mezi vodiči je všude rovna r.Je nutné najít ampérovou sílu působící na jednotku délky vodiče (např. na první vodič na straně druhého).
Podle Bio-Savart-Laplaceova zákona, ve vzdálenosti r od nekonečného vodiče s proudem I2 bude mít magnetické pole indukci:
Nyní můžete najít ampérovou sílu, která bude působit na první drát umístěný v daném bodě magnetického pole (v místě s danou indukcí):
Integrováním tohoto výrazu přes délku a následným dosazením jednoho za délku získáme ampérovou sílu působící na jednotku délky prvního drátu na straně druhého. Podobná síla, pouze v opačném směru, bude působit na druhý drát ze strany prvního.
Bez pochopení Amperova zákona by bylo prostě nemožné kvalitativně navrhnout a sestavit alespoň jeden normální elektromotor.
Princip činnosti a konstrukce elektromotoru
Typy asynchronních elektromotorů, jejich charakteristiky
Joule-Lenzův zákon
Veškerá elektrická energie přenosové vedení, způsobí zahřátí těchto vodičů. Kromě toho se značná elektrická energie používá k napájení různých topných zařízení, k ohřevu wolframových vláken na vysoké teploty atd. Výpočty ohřívacího účinku elektrického proudu jsou založeny na Joule-Lenzově zákonu, který objevil v roce 1841 James Joule a nezávisle v roce 1842 Emil Lenz.
Tento zákon kvantifikuje tepelný účinek elektrického proudu.Je formulován takto: „Výkon tepla uvolněného na jednotku objemu (w) média, když v něm protéká stejnosměrný elektrický proud, je úměrný součinu hustoty elektrického proudu (j) hodnotou intenzity elektrického pole. (E) «.
Pro tenké dráty se používá integrální forma zákona: „množství tepla uvolněného za jednotku času z části obvodu je úměrné součinu druhé mocniny proudu v uvažovaném úseku odporem části. » Píše se v následujícím tvaru:
Joule-Lenzův zákon má zvláštní praktický význam při přenosu elektrické energie po drátech na velké vzdálenosti.
Závěrem je, že tepelný účinek proudu na elektrické vedení je nežádoucí, protože vede ke ztrátám energie. A protože přenášený výkon závisí lineárně jak na napětí, tak na velikosti proudu, zatímco topný výkon je úměrný druhé mocnině proudu, je výhodné zvýšit napětí, při kterém se elektřina přenáší, a odpovídajícím způsobem snížit proud.
Ohmův zákon
Základní zákon elektrického obvodu - Ohmův zákon, který objevil Georg Ohm v roce 1826.… Zákon určuje vztah mezi elektrickým napětím a proudem v závislosti na elektrickém odporu nebo vodivosti (elektrické vodivosti) drátu. V moderních termínech je Ohmův zákon pro úplný obvod napsán takto:
r — vnitřní odpor zdroje, R — odpor zátěže, e — EMF zdroje, I — proud obvodu
Z tohoto záznamu vyplývá, že EMF v uzavřeném okruhu, kterým protéká proud daný zdrojem, se bude rovnat:
To znamená, že pro uzavřený obvod se emf zdroje rovná součtu úbytku napětí vnějšího obvodu a vnitřního odporu zdroje.
Ohmův zákon je formulován následovně: «proud v části obvodu je přímo úměrný napětí na jeho koncích a nepřímo úměrný elektrickému odporu této části obvodu.» Další zápis Ohmova zákona je pomocí vodivosti G (elektrická vodivost):
Aplikace Ohmova zákona v praxi
Co je to napětí, proud, odpor a jak se používají v praxi