Kısa ve erişilebilir bir biçimde elektrodinamiğin en önemli yasaları

Modern dünyada elektrodinamiğin önemi, öncelikle elektrik enerjisinin uzun mesafeli kablolar üzerinden iletilmesi, elektriğin dağıtılması ve başka biçimlere dönüştürülmesi yöntemleri için açtığı geniş teknik olanaklarla ilişkilidir, — mekanik, termal, ışık vb.

Enerji santrallerinde üretilen elektrik enerjisi, kilometrelerce uzunluktaki elektrik hatları üzerinden evlere ve endüstriyel tesislere gönderilir; burada elektromanyetik kuvvetler çeşitli ekipmanların, ev aletlerinin, aydınlatmanın, ısıtma cihazlarının ve daha fazlasının motorlarını çalıştırır. Tek kelimeyle, duvarda prizi olmayan tek bir oda değil, modern bir ekonomi hayal etmek imkansızdır.

Bütün bunlar, yalnızca teoriyi elektriğin pratik uygulamasıyla birleştirmeyi sağlayan elektrodinamik yasalarının bilgisi sayesinde mümkün oldu. Bu yazıda, bu kanunlardan en pratik dördüne daha yakından bakacağız.

Elektromanyetik indüksiyon yasası

Elektromanyetik indüksiyon yasası, sadece elektrik santrallerinde kurulu olan tüm elektrik jeneratörlerinin çalışmasının temelidir. Ancak her şey, 1831'de Michael Faraday tarafından bir elektromıknatısın bir bobine göre hareketiyle ilgili bir deneyde keşfedilen, zar zor fark edilen bir akımla başladı.

Faraday'a keşfinin olasılıkları sorulduğunda, deneyinin sonucunu henüz büyümemiş bir çocuğun doğumuyla karşılaştırdı. Kısa süre sonra bu yeni doğan, tüm uygar dünyanın çehresini değiştiren gerçek bir kahraman oldu. Elektromanyetik indüksiyon yasasının pratik uygulaması

Almanya'daki tarihi bir hidroelektrik santralinde bir jeneratör

Modern enerji santrali jeneratörü sadece mıknatıslı bir bobin değil. Çelik yapılar, çok sayıda yalıtılmış bakır bara bobini, tonlarca demir, yalıtım malzemeleri ve ayrıca milimetrenin kesirlerine kadar hassasiyetle üretilmiş çok sayıda küçük parça içeren devasa bir yapıdır.

Doğada, elbette, bu kadar karmaşık bir cihaz bulunamaz, ancak deneydeki doğa, insana, mevcut bir dış kuvvetin etkisi altında mekanik hareketlerle elektrik üretmek için cihazın nasıl çalışması gerektiğini gösterdi.

Santralde üretilen elektrik dönüştürülür, dağıtılır ve tekrar dönüştürülür. güç transformatörleriÇalışmaları aynı zamanda elektromanyetik indüksiyon olgusuna da dayanan, sadece bir transformatör, bir jeneratörden farklı olarak tasarımında sürekli hareket eden parçalar içermez, bunun yerine bobinli bir manyetik devre içerir.

Bir AC sargısı (birincil sargı) manyetik devreye etki eder, manyetik devre ikincil sargılara (transformatörün ikincil sargıları) etki eder. Transformatörün sekonder sargılarından gelen elektrik artık tüketicilere dağıtılmaktadır. Bütün bunlar, elektromanyetik indüksiyon olgusu ve Faraday adını taşıyan karşılık gelen elektrodinamik yasası bilgisi sayesinde çalışır.

Elektromanyetik indüksiyon yasasının fiziksel anlamı, manyetik alan zamanla değiştiğinde, tam olarak çalışan bir transformatörde meydana gelen bir girdap elektrik alanının ortaya çıkmasıdır.

Uygulamada, iletken tarafından sınırlanan yüzeye nüfuz eden manyetik akı değiştiğinde, iletkende, değeri manyetik akının (F) değişim hızına eşit olan bir EMF indüklenirken, indüklenen EMF'nin işareti yapılan değişikliğin F oranının tersidir. Bu ilişki aynı zamanda "akış kuralı" olarak da adlandırılır:

Döngüye giren manyetik akıyı doğrudan değiştirmeye ek olarak, içinde bir EMF elde etmenin başka bir yöntemi de mümkündür, — Lorentz kuvvetini kullanarak.

Lorentz kuvvetinin büyüklüğü, bildiğiniz gibi, yükün manyetik alandaki hareket hızına, manyetik alanın indüksiyonunun büyüklüğüne ve belirli bir yükün indüksiyon vektörüne göre hareket ettiği açıya bağlıdır. manyetik alan:

Pozitif bir yük için Lorentz kuvvetinin yönü "sol el" kuralı ile belirlenir: sol elinizi manyetik indüksiyon vektörü avuç içine girecek şekilde konumlandırırsanız ve dört uzanmış parmak hareket yönüne yerleştirilirse pozitif yük, ardından 90 derece bükülmüş bir başparmak Lorentz kuvvetinin yönünü gösterecektir.

Böyle bir durumun en basit örneği şekilde gösterilmiştir. Burada, Lorentz kuvveti, manyetik alanda hareket eden bir iletkenin (örneğin bir bakır tel parçası) üst ucunun pozitif olarak yüklenmesine ve alt ucunun negatif olarak yüklenmesine neden olur, çünkü elektronlar negatif bir yüke sahiptir ve burada hareket edenler onlardır. .

Elektronlar, aralarındaki Coulomb çekimi ve telin karşı tarafındaki pozitif yük Lorentz kuvvetini dengeleyene kadar aşağı doğru hareket edecektir.

Bu süreç, iletkende indüksiyon EMF'sinin ortaya çıkmasına neden olur ve ortaya çıktığı gibi, doğrudan elektromanyetik indüksiyon yasasıyla ilgilidir. Aslında, teldeki elektrik alan şiddeti E aşağıdaki gibi bulunabilir (telin B vektörüne dik açılarda hareket ettiğini varsayın):

bu nedenle, indüksiyonun EMF'si aşağıdaki gibi ifade edilebilir:

Verilen örnekte, manyetik akı F'nin kendisinin (bir nesne olarak) uzayda değişmediği, ancak telin manyetik akının bulunduğu alanı geçtiği ve bir telin geçtiği alanı kolayca hesaplayabileceğiniz not edilebilir. belirli bir süre boyunca (yani, yukarıda belirtilen manyetik akının değişim hızı) uzayın o bölgesinde hareket ederek.

Genel durumda, "akı kuralına" göre, bir devredeki EMF'nin, değeri ne olursa olsun, ters işaretle alınan, o devreden geçen manyetik akının değişim hızına eşit olduğu sonucuna varma hakkımız vardır. akı F, ya yer değiştirmenin (manyetik akıyı geçerek) ya da döngünün deformasyonunun ya da her ikisinin bir sonucu olarak sabit bir döngüde zamanla manyetik alanın indüksiyonundaki bir değişiklik nedeniyle doğrudan değişir.

Amper Yasası

Enerji santrallerinde üretilen enerjinin önemli bir kısmı, çeşitli metal kesme makinelerinin motorlarının elektrikle beslendiği işletmelere gönderilmektedir. Elektrik motorlarının çalışması, tasarımcılarının anlayışına dayanmaktadır. Amper Yasası.

Bu yasa, 1820'de Andre Marie Ampere tarafından doğru akımlar için yaratılmıştır (bu yasaya elektrik akımlarının etkileşim yasası da denmesi tesadüf değildir).

Ampere yasasına göre akımları aynı yönde olan paralel teller birbirini çeker, zıt yönlü akımları olan paralel teller birbirini iter. Ek olarak, Ampere yasası, belirli bir alanda akım taşıyan bir iletken üzerinde bir manyetik alanın etki ettiği kuvveti belirlemek için pratik kuralı ifade eder.

Ampere yasası basit bir biçimde şu şekilde ifade edilebilir: manyetik alanda akım taşıyan bir iletkenin bir elemanına manyetik alanın etki ettiği kuvvet (Ampere kuvveti olarak adlandırılır), iletkendeki akım miktarı ile doğru orantılıdır. ve manyetik indüksiyon değerinden telin uzunluğunun elemanının vektör ürünü.

Buna göre, Ampere kuvvetinin modülünü bulma ifadesi, manyetik indüksiyon vektörü ile bu kuvvetin etki ettiği iletkendeki akım vektörü arasındaki açının sinüsünü içerir (Ampere kuvvetinin yönünü belirlemek için sol el kuralını kullanabilirsiniz) ):

Etkileşen iki iletkene uygulanan Ampere kuvveti, bu iletkenlerdeki akımların ilgili yönlerine bağlı olarak her birine etki edecektir.

Vakumda akımları I1 ve I2 olan sonsuz uzunlukta iki ince iletken olduğunu ve iletkenler arasındaki mesafenin her yerde r'ye eşit olduğunu varsayalım.Telin bir birim uzunluğuna etki eden Amper kuvvetini bulmak gerekir (örneğin, ikinci telin yanındaki birinci tel üzerinde).

Bio-Savart-Laplace yasasına göre, akımı I2 olan sonsuz bir iletkenden r mesafesinde, manyetik alan bir endüksiyona sahip olacaktır:

Artık manyetik alanda belirli bir noktada (belirli bir endüksiyona sahip bir yerde) bulunan ilk tele etki edecek Amper kuvvetini bulabilirsiniz:

Bu ifadeyi uzunluğa entegre ederek ve sonra uzunluk yerine bir koyarak, ikinci telin tarafında birinci telin birim uzunluğu başına etki eden amper-kuvveti elde ederiz. Sadece zıt yönde benzer bir kuvvet, birinci telin yanından ikinci tele etki edecektir.

Ampere yasasını anlamadan, en az bir normal elektrik motorunu niteliksel olarak tasarlamak ve monte etmek imkansız olurdu.

Elektrik motorunun çalışma prensibi ve tasarımı

Asenkron elektrik motorlarının çeşitleri, özellikleri

Joule-Lenz yasası

Tüm elektrik enerjisi iletim hattı, bu tellerin ısınmasına neden olur. Ek olarak, çeşitli ısıtma cihazlarına güç sağlamak, tungsten filamanları yüksek sıcaklıklara ısıtmak vb. için amaçlanan önemli miktarda elektrik enerjisi kullanılır. Elektrik akımının ısıtma etkisinin hesaplamaları, 1841'de James Joule tarafından ve bağımsız olarak 1842'de Emil Lenz tarafından keşfedilen Joule-Lenz yasasına dayanmaktadır.

Bu yasa, bir elektrik akımının termal etkisini nicelleştirir.Aşağıdaki şekilde formüle edilmiştir: "İçinde doğru bir elektrik akımı aktığında ortamın birim hacmi (w) başına salınan ısının gücü, elektrik akımı yoğunluğunun (j) elektrik alan şiddetinin değeri ile çarpımı ile orantılıdır. (E) «.

İnce teller için, kanunun integral formu kullanılır: "devrenin bir bölümünden birim zamanda salınan ısı miktarı, ele alınan bölümdeki akımın karesinin bölümün direnciyle çarpımı ile orantılıdır. » Aşağıdaki biçimde yazılır:

Joule-Lenz yasası, elektrik enerjisinin uzun mesafeli kablolar üzerinden iletilmesinde özellikle pratik bir öneme sahiptir.

Sonuç, akımın güç hattı üzerindeki termal etkisinin, enerji kayıplarına yol açtığı için istenmediğidir. Ve iletilen güç, akımın hem voltajına hem de büyüklüğüne doğrusal olarak bağlı olduğundan, ısıtma gücü akımın karesiyle orantılıyken, elektriğin iletildiği voltajı artırmak ve buna göre akımı azaltmak avantajlıdır.

Ohm Yasası

Elektrik devresinin temel yasası — Ohm Yasası, Georg Ohm tarafından 1826'da keşfedildi.… Yasa, elektrik voltajı ile akım arasındaki ilişkiyi, telin elektriksel direncine veya iletkenliğine (elektriksel iletkenlik) bağlı olarak belirler. Modern terimlerle, tam bir devre için Ohm yasası şu şekilde yazılmıştır:

r — kaynak iç direnci, R — yük direnci, e — kaynak EMF, I — devre akımı

Bu kayıttan, kaynak tarafından verilen akımın aktığı kapalı bir devredeki EMF'nin şuna eşit olacağı anlaşılmaktadır:

Bu, kapalı bir devre için kaynak emf'nin, harici devrenin voltaj düşüşünün ve kaynağın iç direncinin toplamına eşit olduğu anlamına gelir.

Ohm yasası şu şekilde formüle edilmiştir: "devrenin bir bölümündeki akım, uçlarındaki voltajla doğru orantılıdır ve devrenin bu bölümünün elektrik direnciyle ters orantılıdır." Ohm yasasının başka bir gösterimi, iletkenlik G'dir (elektriksel iletkenlik):

Devrenin bir bölümü için Ohm yasası

Ohm yasasının pratikte uygulanması

Gerilim, akım, direnç nedir ve pratikte nasıl kullanılır?