Tärkeimmät sähködynamiikan lait tiiviissä ja helposti saatavilla olevassa muodossa
Sähködynamiikan merkitys nykymaailmassa liittyy ensisijaisesti sen tarjoamiin laajoihin teknisiin mahdollisuuksiin sähköenergian siirtämiseen pitkän matkan johtoja pitkin, sähkön jakelumenetelmiin ja muuntamiseen muihin muotoihin, — mekaaninen, lämpö, valo jne.
Voimalaitoksissa tuotettu sähköenergia lähetetään kilometrien yli voimalinjoja - koteihin ja teollisuuslaitoksiin, joissa sähkömagneettiset voimat ohjaavat erilaisten laitteiden, kodinkoneiden, valaistuksen, lämmityslaitteiden ja muiden moottoreita. Sanalla sanoen, on mahdotonta kuvitella modernia taloutta eikä yhtä huonetta ilman pistorasiaa seinässä.
Kaikki tämä tuli koskaan mahdolliseksi vain sähködynamiikan lakien tuntemisen ansiosta, mikä mahdollistaa teorian yhdistämisen sähkön käytännön soveltamiseen. Tässä artikkelissa tarkastellaan lähemmin neljää näistä käytännöllisimmistä laeista.
Sähkömagneettisen induktion laki
Sähkömagneettisen induktion laki on kaikkien voimalaitoksiin asennettujen sähkögeneraattoreiden toiminnan perusta, eikä vain. Mutta kaikki alkoi tuskin havaittavasta virrasta, jonka Michael Faraday löysi vuonna 1831 kokeessa sähkömagneetin liikkeen suhteen kelaan.
Kun Faradaylta kysyttiin hänen löytönsä näkymistä, hän vertasi kokeensa tulosta lapsen syntymään, joka ei vielä kasva. Pian tästä vastasyntyneestä tuli todellinen sankari, joka muutti koko sivistyneen maailman kasvot.Katso — Sähkömagneettisen induktion lain käytännön soveltaminen
Generaattori historiallisessa vesivoimalassa Saksassa
Nykyaikainen voimalaitoksen generaattori se ei ole vain kela magneetilla. Se on valtava rakenne, joka sisältää teräsrakenteita, useita eristettyjä kuparikiskoja, tonnia rautaa, eristemateriaaleja sekä suuren joukon pieniä osia, jotka on valmistettu millimetrin murto-osien tarkkuudella.
Luonnosta ei tietenkään löydy näin monimutkaista laitetta, mutta luonto osoitti kokeessa ihmiselle, kuinka laitteen tulisi toimia tuottaakseen sähköä mekaanisilla liikkeillä käytettävissä olevan ulkoisen voiman vaikutuksesta.
Voimalaitoksella tuotettu sähkö muunnetaan, jaetaan ja muunnetaan uudelleen sen ansiosta tehomuuntajat, jonka työ perustuu myös sähkömagneettisen induktion ilmiöön, vain muuntaja, toisin kuin generaattori, ei sisällä jatkuvasti liikkuvia osia suunnittelussaan, vaan se sisältää magneettipiirin keloilla.
AC-käämi (primäärikäämi) vaikuttaa magneettipiiriin, magneettipiiri vaikuttaa toisiokäämiin (muuntajan toissijaiset käämit). Muuntajan toisiokäämeistä tuleva sähkö jaetaan nyt kuluttajille. Kaikki tämä toimii sähkömagneettisen induktion ilmiön ja vastaavan sähködynamiikan lain tuntemisen ansiosta, joka kantaa nimeä Faraday.
Sähkömagneettisen induktion lain fyysinen merkitys on pyörteisen sähkökentän ilmaantuminen magneettikentän muuttuessa ajan myötä, mikä tapahtuu täsmälleen toimivassa muuntajassa.
Käytännössä johtimen rajaaman pinnan tunkeutuvan magneettivuon muuttuessa johtimeen indusoituu EMF, jonka arvo on yhtä suuri kuin magneettivuon (F) muutosnopeus, kun taas indusoidun EMF:n etumerkki on päinvastainen kuin tehdyn muutoksen nopeus F. Tätä suhdetta kutsutaan myös "virtaussäännöksi":
Sen lisäksi, että silmukan läpäisevää magneettivuoa muutetaan suoraan, on mahdollista saada toinen menetelmä EMF:n saamiseksi siihen, — käyttämällä Lorentzin voimaa.
Kuten tiedät, Lorentzin voiman suuruus riippuu varauksen liikenopeudesta magneettikentässä, magneettikentän induktion suuruudesta ja kulmasta, jossa annettu varaus liikkuu suhteessa induktiovektoriin magneettikentästä:
Positiivisen varauksen Lorentzin voiman suunta määräytyy "vasemman käden" säännöllä: jos asetat vasemman kätesi niin, että magneettisen induktion vektori tulee kämmenelle, ja neljä ojennettua sormea asetetaan liikkeen suuntaan. positiivinen varaus, niin 90 astetta taivutettu peukalo osoittaa Lorentzin voiman suunnan.
Yksinkertaisin esimerkki tällaisesta tapauksesta on esitetty kuvassa. Tässä Lorentzin voima saa magneettikentässä liikkuvan johtimen (esimerkiksi kuparilangan palan) varautumaan positiivisesti ja sen alapää negatiivisesti varautumaan, koska elektroneilla on negatiivinen varaus ja ne liikkuvat täällä. .
Elektronit liikkuvat alaspäin, kunnes niiden välinen Coulombin vetovoima ja langan vastakkaisella puolella oleva positiivinen varaus tasapainottavat Lorentzin voiman.
Tämä prosessi aiheuttaa induktion EMF:n esiintymisen johtimessa ja, kuten kävi ilmi, liittyy suoraan sähkömagneettisen induktion lakiin. Itse asiassa sähkökentän voimakkuus E johdossa voidaan löytää seuraavasti (oletetaan, että lanka liikkuu suorassa kulmassa vektoriin B):
siksi induktion EMF voidaan ilmaista seuraavasti:
Voidaan huomioida, että annetussa esimerkissä itse magneettivuo F (objektina) ei muutu avaruudessa, vaan lanka ylittää alueen, jossa magneettivuo sijaitsee, ja voit helposti laskea alueen, jonka lanka kulkee liikkumalla kyseisen avaruuden alueen läpi tietyn ajan (eli edellä mainitun magneettivuon muutosnopeuden) aikana.
Yleisessä tapauksessa voimme päätellä, että "vuon säännön" mukaan piirissä oleva EMF on yhtä suuri kuin piirin läpi kulkevan magneettivuon muutosnopeus, otettuna päinvastaisella etumerkillä, riippumatta siitä, onko vuo F muuttuu suoraan johtuen magneettikentän induktion muutoksesta ajan myötä kiinteässä silmukassa joko siirtymän (magneettivuon ylittämisen) tai silmukan muodonmuutoksen tai molempien seurauksena.
Amperen laki
Merkittävä osa voimalaitoksissa tuotetusta energiasta lähetetään yrityksiin, joissa erilaisten metallinleikkauskoneiden moottoreille syötetään sähköä. Sähkömoottoreiden toiminta perustuu niiden suunnittelijoiden ymmärrykseen Amperen laki.
Tämän lain loi Andre Marie Ampere vuonna 1820 tasavirroille (ei ole sattumaa, että tätä lakia kutsutaan myös sähkövirtojen vuorovaikutuksen laiksi).
Amperen lain mukaan rinnakkaiset johdot, joiden virrat ovat samassa suunnassa, vetävät toisiaan puoleensa, ja rinnakkaiset johdot, joiden virrat ovat vastakkaisia, hylkivät toisiaan. Lisäksi Amperen laki viittaa peukalosääntöön sen voiman määrittämiseksi, jolla magneettikenttä vaikuttaa virtaa kuljettavaan johtimeen tietyssä kentässä.
Yksinkertaisessa muodossa Amperen laki voidaan ilmaista seuraavasti: voima (kutsutaan Amperen voimaksi), jolla magneettikenttä vaikuttaa virtaa kuljettavan johtimen elementtiin magneettikentässä, on suoraan verrannollinen johtimessa olevan virran määrään. ja langan pituuden elementin vektoritulo magneettisen induktion arvosta.
Vastaavasti lauseke Amperen voiman moduulin löytämiseksi sisältää magneettisen induktiovektorin ja johtimessa olevan virtavektorin välisen kulman sinin, johon tämä voima vaikuttaa (Amperen voiman suunnan määrittämiseksi voit käyttää vasemman käden sääntöä ):
Kahteen vuorovaikutuksessa olevaan johtimeen sovellettu ampeerivoima vaikuttaa kumpaankin suuntaan, joka riippuu näiden johtimien vastaavista virtojen suunnasta.
Oletetaan, että tyhjiössä on kaksi äärettömän pitkää ohutta johdinta virroilla I1 ja I2, ja johtimien välinen etäisyys kaikkialla on yhtä suuri kuin r.On tarpeen löytää ampeerivoima, joka vaikuttaa langan yksikköpituuteen (esimerkiksi ensimmäiseen lankaan toisen puolella).
Bio-Savart-Laplacen lain mukaan, etäisyydellä r äärettömästä johtimesta, jolla on virta I2, magneettikentällä on induktio:
Nyt voit löytää ampeerivoiman, joka vaikuttaa ensimmäiseen johtoon, joka sijaitsee tietyssä magneettikentän kohdassa (paikassa, jossa on tietty induktio):
Integroimalla tämä lauseke pituudelle ja korvaamalla sitten yhdellä pituudella, saadaan ampeerivoima, joka vaikuttaa ensimmäisen langan pituusyksikköä kohti toisen puolella. Samanlainen voima, vain vastakkaiseen suuntaan, vaikuttaa toiseen lankaan ensimmäisen puolelta.
Ilman Amperen lain ymmärtämistä olisi yksinkertaisesti mahdotonta suunnitella ja koota laadullisesti vähintään yhtä normaalia sähkömoottoria.
Sähkömoottorin toimintaperiaate ja rakenne
Asynkronisten sähkömoottorien tyypit, niiden ominaisuudet
Joule-Lenzin laki
Kaikki sähköenergia voimansiirtolinja, saa nämä johdot kuumenemaan. Lisäksi merkittävää sähköenergiaa käytetään tarkoituksenmukaisesti erilaisten lämmityslaitteiden tehostamiseen, volframifilamenttien lämmittämiseen korkeisiin lämpötiloihin jne. Sähkövirran lämmitysvaikutuksen laskelmat perustuvat Joule-Lenzin lakiin, jonka James Joule löysi vuonna 1841 ja Emil Lenz löysi itsenäisesti vuonna 1842.
Tämä laki määrittää sähkövirran lämpövaikutuksen.Se on muotoiltu seuraavasti: "Lämmön teho väliaineen tilavuusyksikköä (w) kohti, kun siinä virtaa tasavirta, on verrannollinen sähkövirran tiheyden (j) tuloon sähkökentän voimakkuuden arvolla. (E) «.
Ohuille langoille käytetään lain kiinteää muotoa: "piirin osasta aikayksikköä kohti vapautuvan lämmön määrä on verrannollinen tarkasteltavan osan virran neliön tuloon osan resistanssilla. » Se on kirjoitettu seuraavassa muodossa:
Joule-Lenzin laki on erityisen käytännönläheinen sähköenergian siirtämisessä pitkän matkan johtoja pitkin.
Johtopäätös on, että virran lämpövaikutus voimalinjaan ei ole toivottava, koska se johtaa energiahäviöihin. Ja koska lähetetty teho riippuu lineaarisesti sekä jännitteestä että virran suuruudesta, kun taas lämmitysteho on verrannollinen virran neliöön, on edullista lisätä jännitettä, jolla sähköä siirretään, vähentäen vastaavasti virtaa.
Ohmin laki
Sähköpiirin peruslaki - Ohmin laki, jonka Georg Ohm löysi vuonna 1826.… Laki määrittää sähköjännitteen ja virran välisen suhteen johdon sähkövastuksen tai johtavuuden (sähkönjohtavuuden) mukaan. Nykyaikaisesti Ohmin laki täydelliselle piirille kirjoitetaan seuraavasti:
r — lähteen sisäinen vastus, R — kuormitusvastus, e — lähde EMF, I — piirivirta
Tästä tietueesta seuraa, että suljetussa piirissä oleva EMF, jonka läpi lähteen antama virta kulkee, on yhtä suuri:
Tämä tarkoittaa, että suljetussa piirissä lähde emf on yhtä suuri kuin ulkoisen piirin jännitehäviön ja lähteen sisäisen resistanssin summa.
Ohmin laki on muotoiltu seuraavasti: "virtapiirin osassa on suoraan verrannollinen sen päissä olevaan jännitteeseen ja kääntäen verrannollinen tämän piirin osan sähköiseen resistanssiin." Toinen Ohmin lain merkintätapa on konduktanssi G (sähkönjohtavuus):
Ohmin lain soveltaminen käytännössä
Mitä ovat jännite, virta, vastus ja miten niitä käytetään käytännössä