Các định luật quan trọng nhất của điện động lực học ở dạng ngắn gọn và dễ tiếp cận

Tầm quan trọng của điện động lực học trong thế giới hiện đại chủ yếu liên quan đến các khả năng kỹ thuật rộng lớn mà nó mở ra cho việc truyền năng lượng điện qua dây dẫn đường dài, cho các phương pháp phân phối và chuyển đổi điện thành các dạng khác, — của cơ học, nhiệt, ánh sáng, vv

Được tạo ra trong các nhà máy điện, năng lượng điện được gửi qua hàng dặm đường dây điện — đến các hộ gia đình và cơ sở công nghiệp, nơi các lực điện từ điều khiển động cơ của nhiều thiết bị, thiết bị gia dụng, thiết bị chiếu sáng, sưởi ấm, v.v. Nói một cách dễ hiểu, không thể tưởng tượng được một nền kinh tế hiện đại lại không có một căn phòng nào không có ổ cắm trên tường.

Tất cả điều này chỉ có thể trở thành khả thi nhờ vào kiến ​​​​thức về các định luật điện động lực học, cho phép kết nối lý thuyết với ứng dụng thực tế của điện. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn bốn điều thực tế nhất trong số các luật này.

Định luật cảm ứng điện từ

Định luật cảm ứng điện từ là cơ sở hoạt động của tất cả các máy phát điện được lắp đặt trong các nhà máy điện, và không chỉ. Nhưng tất cả bắt đầu với một dòng điện hầu như không đáng chú ý, được Michael Faraday phát hiện vào năm 1831 trong một thí nghiệm về chuyển động của một nam châm điện so với một cuộn dây.

Khi Faraday được hỏi về triển vọng khám phá của mình, ông đã so sánh kết quả thí nghiệm của mình với sự ra đời của một đứa trẻ chưa lớn. Chẳng mấy chốc, đứa trẻ sơ sinh này đã trở thành một anh hùng thực sự, người đã thay đổi bộ mặt của toàn bộ thế giới văn minh. Xem — Ứng dụng thực tế của định luật cảm ứng điện từ

Một máy phát điện tại một nhà máy thủy điện lịch sử ở Đức

Máy phát điện hiện đại nó không chỉ là một cuộn dây có nam châm. Đó là một cấu trúc khổng lồ chứa kết cấu thép, nhiều cuộn thanh cái bằng đồng cách điện, hàng tấn sắt, vật liệu cách điện, cũng như một số lượng lớn các bộ phận nhỏ được sản xuất với độ chính xác đến từng milimet.

Tất nhiên, trong tự nhiên, không thể tìm thấy một thiết bị phức tạp như vậy, nhưng tự nhiên trong thí nghiệm đã cho con người thấy thiết bị này hoạt động như thế nào để tạo ra điện thông qua các chuyển động cơ học dưới tác động của một ngoại lực có sẵn.

Điện năng được tạo ra trong nhà máy điện được chuyển đổi, phân phối và chuyển đổi lại nhờ máy biến áp điện, hoạt động của nó cũng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, chỉ có máy biến áp, không giống như máy phát điện, không bao gồm các bộ phận chuyển động liên tục trong thiết kế của nó, thay vào đó nó chứa một mạch từ với các cuộn dây.

Một cuộn dây xoay chiều (cuộn sơ cấp) tác dụng lên mạch từ, mạch từ tác dụng lên các cuộn thứ cấp (cuộn thứ cấp của máy biến áp). Điện từ cuộn dây thứ cấp của máy biến áp hiện được phân phối đến người tiêu dùng. Tất cả điều này hoạt động nhờ vào hiện tượng cảm ứng điện từ và kiến ​​​​thức về định luật điện động tương ứng, mang tên Faraday.

Ý nghĩa vật lý của định luật cảm ứng điện từ là sự xuất hiện điện trường xoáy khi từ trường biến thiên theo thời gian, điều này xảy ra chính xác ở máy biến thế đang làm việc.

Trong thực tế, khi từ thông xuyên qua bề mặt giới hạn bởi dây dẫn thay đổi, một EMF được tạo ra trong dây dẫn, giá trị của nó bằng tốc độ thay đổi của từ thông (F), trong khi dấu của EMF cảm ứng ngược lại với tốc độ thay đổi được thực hiện F. Mối quan hệ này còn được gọi là "quy tắc dòng chảy":

Ngoài việc thay đổi trực tiếp từ thông xuyên qua vòng lặp, có thể có một phương pháp khác để thu được EMF trong đó, — sử dụng lực Lorentz.

Độ lớn của lực Lorentz, như bạn đã biết, phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của điện tích trong từ trường, vào độ lớn của cảm ứng từ của từ trường và vào góc mà điện tích đã cho chuyển động so với vectơ cảm ứng của từ trường:

Hướng của lực Lorentz đối với điện tích dương được xác định theo quy tắc "bàn tay trái": nếu bạn đặt bàn tay trái của mình sao cho vectơ cảm ứng từ đi vào lòng bàn tay và bốn ngón tay duỗi thẳng được đặt theo hướng chuyển động của điện tích dương, khi đó ngón tay cái uốn cong 90 độ sẽ chỉ hướng của lực Lorentz.

Ví dụ đơn giản nhất về trường hợp như vậy được thể hiện trong hình. Ở đây, lực Lorentz làm cho đầu trên của một dây dẫn (giả sử, một đoạn dây đồng) chuyển động trong từ trường trở nên tích điện dương và đầu dưới của nó tích điện âm, vì các electron mang điện tích âm và chính chúng chuyển động ở đây .

Các electron sẽ di chuyển xuống cho đến khi lực hút Coulomb giữa chúng và điện tích dương ở phía đối diện của dây cân bằng với lực Lorentz.

Quá trình này gây ra sự xuất hiện của EMF của cảm ứng trong dây dẫn và, hóa ra, có liên quan trực tiếp đến định luật cảm ứng điện từ. Trên thực tế, cường độ điện trường E trong dây có thể được tìm như sau (giả sử dây chuyển động vuông góc với vectơ B):

do đó, EMF của cảm ứng có thể được biểu thị như sau:

Có thể lưu ý rằng trong ví dụ đã cho, bản thân từ thông F (với tư cách là một vật thể) không thay đổi trong không gian, nhưng dây dẫn đi qua khu vực có từ thông và bạn có thể dễ dàng tính diện tích mà dây dẫn đi qua. bằng cách di chuyển qua vùng không gian đó trong một thời gian nhất định (tức là tốc độ biến thiên của từ thông nói trên).

Trong trường hợp chung, chúng ta có quyền kết luận rằng theo «quy tắc từ thông», EMF trong một mạch bằng tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch đó, được lấy ngược dấu, bất kể giá trị của từ thông F thay đổi trực tiếp do sự thay đổi cảm ứng của từ trường theo thời gian tại một vòng cố định hoặc là kết quả của sự dịch chuyển (đi qua từ thông) hoặc biến dạng của vòng hoặc cả hai.

Định luật Ampe

Một phần đáng kể năng lượng được tạo ra trong các nhà máy điện được gửi đến các doanh nghiệp, nơi động cơ của các máy cắt kim loại khác nhau được cung cấp điện. Hoạt động của động cơ điện dựa trên sự hiểu biết của người thiết kế chúng Định luật Ampe.

Định luật này do Andre Marie Ampere tạo ra vào năm 1820 cho dòng điện một chiều (không phải ngẫu nhiên mà định luật này còn được gọi là định luật tương tác của các dòng điện).

Theo định luật Ampe, các dây dẫn song song có dòng điện cùng chiều thì hút nhau, các dây dẫn song song có dòng điện ngược chiều thì đẩy nhau. Ngoài ra, định luật Ampe đề cập đến quy tắc ngón tay cái để xác định lực mà từ trường tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện trong một trường nhất định.

Ở dạng đơn giản, định luật Ampe có thể được phát biểu như sau: lực (gọi là lực Ampe) mà từ trường tác dụng lên một phần tử của dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện chạy trong dây dẫn và tích vectơ của phần tử chiều dài của dây dẫn từ giá trị của cảm ứng từ.

Theo đó, biểu thức tìm môđun của lực Ampe chứa sin của góc tạo bởi vectơ cảm ứng từ và vectơ dòng điện trong vật dẫn mà lực này tác dụng (để xác định chiều của lực Ampe có thể dùng quy tắc bàn tay trái ):

Áp dụng cho hai dây dẫn tương tác, lực Ampe sẽ tác dụng lên mỗi dây dẫn theo hướng phụ thuộc vào hướng tương ứng của dòng điện trong các dây dẫn đó.

Giả sử có hai dây dẫn mảnh dài vô hạn đặt trong chân không có dòng điện I1 và I2 và khoảng cách giữa các dây dẫn ở mọi nơi đều bằng r.Cần phải tìm lực Ampe tác dụng lên một đơn vị chiều dài của dây (ví dụ: trên dây thứ nhất ở phía bên của dây thứ hai).

Theo định luật Bio-Savart-Laplace, cách dây dẫn vô hạn có dòng điện I2 một khoảng r, từ trường sẽ xuất hiện cảm ứng:

Bây giờ bạn có thể tìm lực Ampe sẽ tác dụng lên dây đầu tiên đặt tại một điểm cho trước trong từ trường (tại một nơi có cảm ứng cho trước):

Tích biểu thức này theo chiều dài, rồi thay một biểu thức cho chiều dài, ta thu được lực ampe tác dụng trên một đơn vị chiều dài của dây thứ nhất ở cạnh của dây thứ hai. Một lực tương tự, chỉ theo hướng ngược lại, sẽ tác dụng lên dây thứ hai từ phía dây thứ nhất.

Nếu không hiểu định luật Ampe, đơn giản là không thể thiết kế và lắp ráp ít nhất một động cơ điện bình thường một cách định tính.

Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của động cơ điện

Các loại động cơ điện không đồng bộ, đặc điểm của chúng

Định luật Joule-Lenz

Tất cả năng lượng điện đường dây truyền tải, làm cho các dây này nóng lên. Ngoài ra, năng lượng điện đáng kể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị sưởi ấm khác nhau, để đốt nóng dây tóc vonfram đến nhiệt độ cao, v.v. Các tính toán về hiệu ứng nhiệt của dòng điện dựa trên định luật Joule-Lenz, được phát hiện vào năm 1841 bởi James Joule và một cách độc lập vào năm 1842 bởi Emil Lenz.

Định luật này định lượng tác dụng nhiệt của dòng điện.Nó được xây dựng như sau: "Công suất tỏa nhiệt trên một đơn vị thể tích (w) của môi trường khi có dòng điện một chiều chạy trong nó tỷ lệ thuận với tích của mật độ dòng điện (j) với giá trị cường độ điện trường (E) «.

Đối với dây mỏng, dạng tích phân của định luật được sử dụng: "lượng nhiệt tỏa ra trên một đơn vị thời gian từ một phần của mạch tỷ lệ thuận với tích bình phương cường độ dòng điện trong phần được xem xét với điện trở của phần đó. » Nó được viết dưới dạng sau:

Định luật Joule-Lenz có tầm quan trọng thực tế đặc biệt trong việc truyền năng lượng điện qua dây dẫn đường dài.

Kết luận là hiệu ứng nhiệt của dòng điện trên đường dây điện là không mong muốn vì nó dẫn đến tổn thất năng lượng. Và vì công suất truyền đi phụ thuộc tuyến tính vào cả điện áp và cường độ dòng điện, trong khi công suất đốt nóng tỷ lệ với bình phương cường độ dòng điện, nên có lợi là tăng điện áp mà điện được truyền đi, giảm dòng điện tương ứng.

Định luật Ohm

Định luật cơ bản của mạch điện - Định luật Ôm do Georg Ohm phát hiện năm 1826.… Định luật xác định mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện tùy thuộc vào điện trở hoặc độ dẫn điện (độ dẫn điện) của dây dẫn. Theo thuật ngữ hiện đại, định luật Ohm cho một mạch hoàn chỉnh được viết như sau:

r — điện trở trong của nguồn, R — điện trở tải, e — EMF nguồn, I — dòng điện trong mạch

Từ bản ghi này, suy ra rằng EMF trong một mạch kín qua đó dòng điện do nguồn cung cấp sẽ bằng:

Điều này có nghĩa là đối với một mạch kín, suất điện động của nguồn bằng tổng độ giảm điện áp của mạch ngoài và điện trở trong của nguồn.

Định luật Ohm được phát biểu như sau: «cường độ dòng điện trong một đoạn mạch tỉ lệ thuận với hiệu điện thế ở hai đầu đoạn mạch đó và tỉ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch đó.» Một ký hiệu khác của định luật Ohm là theo độ dẫn G (độ dẫn điện):

Định luật Ôm cho một đoạn mạch

Ứng dụng định luật Ôm trong thực tế

Điện áp, dòng điện, điện trở là gì và chúng được sử dụng như thế nào trong thực tế