חוקי האלקטרודינמיקה החשובים ביותר בצורה תמציתית ונגישה

חשיבותה של האלקטרודינמיקה בעולם המודרני קשורה בעיקר לאפשרויות הטכניות הרחבות שהיא פותחת להעברת אנרגיה חשמלית על חוטים למרחקים ארוכים, לשיטות הפצה והמרה של חשמל לצורות אחרות, - מכני, תרמי, אור וכו'.

מופקת בתחנות כוח, אנרגיה חשמלית נשלחת על פני קילומטרים של קווי חשמל - לבתים ולמתקנים תעשייתיים, שם כוחות אלקטרומגנטיים מניעים את המנועים של ציוד שונים, מכשירי חשמל ביתיים, תאורה, מכשירי חימום ועוד. במילה אחת, אי אפשר לדמיין כלכלה מודרנית ולא חדר אחד בלי שקע על הקיר.

כל זה אי פעם התאפשר רק הודות לידע של חוקי האלקטרודינמיקה, המאפשר לחבר את התיאוריה עם היישום המעשי של חשמל. במאמר זה, נסקור מקרוב את ארבעת החוקים המעשיים ביותר מבין אלה.

חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית

חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית הוא בסיס פעולתם של כל הגנרטורים החשמליים המותקנים בתחנות כוח, ולא רק. אבל הכל התחיל בזרם בקושי מורגש, שהתגלה ב-1831 על ידי מייקל פאראדיי בניסוי עם תנועת אלקטרומגנט ביחס לסליל.

כשפאראדיי נשאל לגבי הסיכויים לגילויו, הוא השווה את תוצאת הניסוי שלו להולדת ילד שטרם גדל. עד מהרה הפך היילוד הזה לגיבור אמיתי ששינה את פניו של העולם התרבותי כולו. ראה - יישום מעשי של חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית

גנרטור במפעל הידרואלקטרי היסטורי בגרמניה

גנרטור תחנת כוח מודרני זה לא רק סליל עם מגנט. זהו מבנה ענק המכיל מבני פלדה, סלילים רבים של פסי נחושת מבודדים, טונות של ברזל, חומרי בידוד, וכן מספר רב של חלקים קטנים המיוצרים בדייקנות עד שברירי מילימטר.

בטבע, כמובן, לא ניתן למצוא מכשיר מורכב שכזה, אבל הטבע בניסוי הראה לאדם כיצד המכשיר צריך לעבוד כדי לייצר חשמל באמצעות תנועות מכניות בהשפעת כוח חיצוני זמין.

החשמל המופק בתחנת הכוח מומר, מופץ ומומר שוב בזכות שנאי כוח, שעבודתו מבוססת גם על תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית, רק שנאי, בניגוד לגנרטור, אינו כולל בעיצובו חלקים הנעים כל הזמן, אלא הוא מכיל מעגל מגנטי עם סלילים.

פיתול AC (פיתול ראשוני) פועל על המעגל המגנטי, המעגל המגנטי פועל על הפיתולים המשניים (פיתולים משניים של השנאי). חשמל מהפיתולים המשניים של השנאי מחולק כעת לצרכנים. כל זה עובד הודות לתופעה של אינדוקציה אלקטרומגנטית והכרת החוק המקביל של האלקטרודינמיקה, הנושא את השם פאראדיי.

המשמעות הפיזית של חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית היא הופעת שדה חשמלי מערבולת כאשר השדה המגנטי משתנה עם הזמן, מה שקורה בדיוק בשנאי עובד.

בפועל, כאשר השטף המגנטי החודר למשטח התחום על ידי המוליך משתנה, מושרה במוליך EMF שערכו שווה לקצב השינוי של השטף המגנטי (F), בעוד הסימן של EMF המושרה מנוגד לקצב השינוי שנעשה F. קשר זה נקרא גם "כלל הזרימה":

בנוסף לשינוי ישיר של השטף המגנטי החודר ללולאה, אפשרית שיטה נוספת להשגת EMF בה, - באמצעות כוח לורנץ.

גודל כוח לורנץ, כידוע, תלוי במהירות התנועה של המטען בשדה מגנטי, בגודל האינדוקציה של השדה המגנטי ובזווית שבה המטען הנתון נע ביחס לווקטור האינדוקציה. של השדה המגנטי:

כיוון כוח לורנץ למטען חיובי נקבע על ידי כלל "יד שמאל": אם תמקם את יד שמאל כך שווקטור האינדוקציה המגנטית ייכנס לכף היד, וארבע אצבעות מושטות מונחות בכיוון התנועה של המטען החיובי, אז אגודל כפוף ב-90 מעלות יציין את כיוון כוח לורנץ.

הדוגמה הפשוטה ביותר למקרה כזה מוצגת באיור. כאן, כוח לורנץ גורם לקצה העליון של מוליך (נגיד, חתיכת חוט נחושת) הנעה בשדה מגנטי להיות מטען חיובי ולקצה התחתון שלו לטעון שלילי, שכן לאלקטרונים יש מטען שלילי והם אלה שנעים לכאן .

האלקטרונים ינועו למטה עד שהמשיכה של קולומב ביניהם והמטען החיובי בצד הנגדי של החוט יאזן את כוח לורנץ.

תהליך זה גורם להופעת EMF של אינדוקציה במוליך, וכפי שהתברר, קשור ישירות לחוק האינדוקציה האלקטרומגנטית. למעשה, ניתן למצוא את עוצמת השדה החשמלי E בחוט באופן הבא (נניח שהחוט זז בזווית ישרה לוקטור B):

לכן, EMF של האינדוקציה יכול להתבטא באופן הבא:

ניתן לציין שבדוגמה הנתונה השטף המגנטי F עצמו (כעצם) אינו עובר שינויים במרחב, אלא החוט חוצה את האזור בו נמצא השטף המגנטי, וניתן לחשב בקלות את השטח שחוט חוצה על ידי מעבר באזור זה של החלל בזמן נתון (כלומר, קצב השינוי של השטף המגנטי שהוזכר לעיל).

במקרה הכללי, אנו רשאים להסיק כי על פי "כלל השטף" ה-EMF במעגל שווה לקצב השינוי של השטף המגנטי דרך אותו מעגל, בסימן ההפוך, ללא קשר לשאלה אם הערך של השטף F משתנה ישירות עקב שינוי באינדוקציה של השדה המגנטי עם הזמן בלולאה קבועה או כתוצאה מתזוזה (חציית השטף המגנטי) או דפורמציה של הלולאה או שניהם.

חוק אמפר

חלק ניכר מהאנרגיה המופקת בתחנות כוח נשלחת למפעלים, שבהם המנועים של מכונות חיתוך מתכות שונות מסופקים בחשמל. פעולתם של מנועים חשמליים מבוססת על הבנתם של המעצבים שלהם חוק אמפר.

חוק זה נוצר על ידי אנדרה מארי אמפר בשנת 1820 עבור זרמים ישרים (לא במקרה חוק זה נקרא גם חוק האינטראקציה של זרמים חשמליים).

על פי חוק אמפר, חוטים מקבילים עם זרמים באותו כיוון מושכים זה את זה, וחוטים מקבילים עם זרמים מכוונים הפוך דוחים זה את זה. בנוסף, חוק אמפר מתייחס לכלל האצבע לקביעת הכוח שבו פועל שדה מגנטי על מוליך נושא זרם בשדה נתון.

בצורה פשוטה ניתן לקבוע את חוק אמפר באופן הבא: הכוח (הנקרא כוח אמפר) שבו פועל שדה מגנטי על אלמנט של מוליך נושא זרם בשדה מגנטי הוא פרופורציונלי ישר לכמות הזרם במוליך. והמכפלה הווקטורית של האלמנט של אורך החוט מערך האינדוקציה המגנטית.

בהתאם לכך, הביטוי למציאת מודול הכוח של אמפר מכיל את הסינוס של הזווית בין וקטור האינדוקציה המגנטי לווקטור הזרם במוליך שעליו פועל כוח זה (כדי לקבוע את כיוון הכוח של אמפר, ניתן להשתמש בכלל יד שמאל ):

מופעל על שני מוליכים המקיימים אינטראקציה, הכוח של אמפר יפעל על כל אחד מהם בכיוון התלוי בכיוונים המתאימים של הזרמים באותם מוליכים.

נניח שיש שני מוליכים דקים ארוכים לאין סוף בוואקום עם זרמים I1 ו-I2, והמרחק בין המוליכים בכל מקום שווה ל-r.יש צורך למצוא את כוח האמפר הפועל על יחידת אורך של החוט (לדוגמה, על החוט הראשון בצד השני).

על פי חוק Bio-Savart-Laplace, במרחק r ממוליך אינסופי עם זרם I2, לשדה המגנטי תהיה אינדוקציה:

כעת ניתן למצוא את כוח האמפר שיפעל על החוט הראשון הממוקם בנקודה נתונה בשדה המגנטי (במקום עם אינדוקציה נתונה):

שילוב ביטוי זה לאורך, ולאחר מכן החלפת אחד באורך, נקבל את כוח האמפר הפועל ליחידת אורך של החוט הראשון בצד השני. כוח דומה, רק בכיוון ההפוך, יפעל על החוט השני מהצד של הראשון.

ללא הבנה של חוק אמפר, זה יהיה פשוט בלתי אפשרי לתכנן ולהרכיב לפחות מנוע חשמלי רגיל אחד.

עקרון הפעולה והתכנון של המנוע החשמלי

סוגי מנועים חשמליים אסינכרוניים, המאפיינים שלהם

חוק ג'ול-לנץ

כל האנרגיה החשמלית קו תמסורת, גורם לחוטים אלו להתחמם. כמו כן, נעשה שימוש באנרגיה חשמלית משמעותית כנועדה להנעת מכשירי חימום שונים, לחימום חוטי טונגסטן לטמפרטורות גבוהות וכו'. חישובים של השפעת החימום של זרם חשמלי מבוססים על חוק ג'ול-לנץ, שהתגלה בשנת 1841 על ידי ג'יימס ג'ול ובאופן עצמאי בשנת 1842 על ידי אמיל לנץ.

חוק זה מכמת את ההשפעה התרמית של זרם חשמלי.הוא מנוסח כך: "הספק החום המשתחרר ליחידת נפח (w) של התווך כאשר זורם בו זרם חשמלי ישר הוא פרופורציונלי למכפלת צפיפות הזרם החשמלי (j) לפי ערך עוצמת השדה החשמלי (ה) «.

עבור חוטים דקים, הצורה האינטגרלית של החוק משמשת: "כמות החום המשתחררת ליחידת זמן מקטע של המעגל היא פרופורציונלית למכפלת ריבוע הזרם בקטע הנחשב לפי התנגדות הקטע. » זה כתוב בצורה הבאה:

לחוק ג'ול-לנץ חשיבות מעשית במיוחד בהעברת אנרגיה חשמלית על חוטים למרחקים ארוכים.

המסקנה היא שההשפעה התרמית של הזרם על קו החשמל אינה רצויה מכיוון שהיא מובילה לאובדן אנרגיה. ומכיוון שההספק המועבר תלוי באופן ליניארי הן במתח והן בגודל הזרם, בעוד שכוח החימום הוא פרופורציונלי לריבוע הזרם, כדאי להגדיל את המתח בו מועבר החשמל, ולהפחית את הזרם בהתאם.

חוק אוהם

החוק הבסיסי של מעגל חשמלי - חוק אוהם, שהתגלה על ידי גאורג אוהם בשנת 1826.... החוק קובע את הקשר בין מתח חשמלי לזרם בהתאם להתנגדות החשמלית או המוליכות (מוליכות החשמל) של החוט. במונחים מודרניים, חוק אוהם למעגל שלם כתוב כך:

r - התנגדות פנימית מקור, R - התנגדות עומס, e - מקור EMF, I - זרם מעגל

מהרשומה הזו עולה שה-EMF במעגל סגור שדרכו זורם הזרם שניתן על ידי המקור יהיה שווה ל:

המשמעות היא שעבור מעגל סגור, ה-emf של המקור שווה לסכום מפל המתח של המעגל החיצוני וההתנגדות הפנימית של המקור.

חוק אוהם מנוסח כך: "הזרם בקטע של המעגל הוא ביחס ישר למתח בקצותיו ובפרופורציונלי הפוך להתנגדות החשמלית של קטע זה של המעגל." סימון נוסף של חוק אוהם הוא על ידי מוליכות G (מוליכות חשמלית):

חוק אוהם לקטע של מעגל

יישום חוק אוהם בפועל

מהם מתח, זרם, התנגדות וכיצד משתמשים בהם בפועל