กฎที่สำคัญที่สุดของอิเล็กโทรไดนามิกส์ในรูปแบบที่กระชับและเข้าถึงได้

ความสำคัญของอิเล็กโทรไดนามิกส์ในโลกสมัยใหม่ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับความเป็นไปได้ทางเทคนิคที่เปิดกว้างสำหรับการส่งพลังงานไฟฟ้าผ่านสายไฟทางไกล สำหรับวิธีการกระจายและการแปลงไฟฟ้าเป็นรูปแบบอื่น — เชิงกล ความร้อน แสง ฯลฯ

สร้างขึ้นในโรงไฟฟ้า พลังงานไฟฟ้าถูกส่งไปตามสายไฟฟ้าหลายไมล์ — ไปยังบ้านและโรงงานอุตสาหกรรม ซึ่งแรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะขับเคลื่อนมอเตอร์ของอุปกรณ์ต่างๆ เครื่องใช้ในครัวเรือน ไฟส่องสว่าง อุปกรณ์ทำความร้อน และอื่นๆ กล่าวอีกนัยหนึ่งเป็นไปไม่ได้ที่จะจินตนาการถึงเศรษฐกิจสมัยใหม่และไม่ใช่ห้องเดี่ยวที่ไม่มีเต้ารับบนผนัง

ทั้งหมดนี้เป็นไปได้เพียงเพราะความรู้เกี่ยวกับกฎของไฟฟ้าพลศาสตร์ซึ่งช่วยให้สามารถเชื่อมต่อทฤษฎีกับการประยุกต์ใช้ไฟฟ้าได้จริง ในบทความนี้ เราจะพิจารณากฎหมายสี่ข้อที่ใช้ได้จริงมากที่สุดอย่างใกล้ชิดยิ่งขึ้น

กฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

กฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นพื้นฐานของการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้งหมดที่ติดตั้งในโรงไฟฟ้าและไม่เพียงเท่านั้น แต่ทุกอย่างเริ่มต้นด้วยกระแสที่แทบจะสังเกตไม่เห็น ซึ่งค้นพบในปี 1831 โดย Michael Faraday ในการทดลองเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กไฟฟ้าที่สัมพันธ์กับขดลวด

เมื่อ Faraday ถูกถามเกี่ยวกับโอกาสในการค้นพบ เขาเปรียบเทียบผลการทดลองของเขากับการเกิดของเด็กที่ยังไม่โต ในไม่ช้าทารกแรกเกิดคนนี้ก็กลายเป็นฮีโร่ตัวจริงที่เปลี่ยนโฉมหน้าของโลกศิวิไลซ์ ดู— การประยุกต์ใช้กฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าในทางปฏิบัติ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่โรงไฟฟ้าพลังน้ำเก่าแก่ในเยอรมนี

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสมัยใหม่ ไม่ใช่แค่ขดลวดที่มีแม่เหล็ก มันเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยโครงสร้างเหล็ก บัสบาร์ทองแดงหุ้มฉนวนหลายม้วน เหล็กตัน วัสดุฉนวน ตลอดจนชิ้นส่วนขนาดเล็กจำนวนมากที่ผลิตด้วยความแม่นยำถึงเศษเสี้ยวของมิลลิเมตร

แน่นอนว่าในธรรมชาติไม่สามารถพบอุปกรณ์ที่ซับซ้อนเช่นนี้ได้ แต่ธรรมชาติในการทดลองแสดงให้มนุษย์เห็นว่าอุปกรณ์ควรทำงานอย่างไรเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าผ่านการเคลื่อนไหวทางกลภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอกที่มีอยู่

ไฟฟ้าที่ผลิตในโรงไฟฟ้าจะถูกแปลง แจกจ่าย และแปลงอีกครั้งด้วย หม้อแปลงไฟฟ้าซึ่งงานนั้นขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย มีเพียงหม้อแปลงไฟฟ้าเท่านั้น ซึ่งแตกต่างจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ไม่รวมชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวตลอดเวลาในการออกแบบ แต่จะมีวงจรแม่เหล็กพร้อมขดลวดแทน

ขดลวดไฟฟ้ากระแสสลับ (ขดลวดปฐมภูมิ) ทำหน้าที่ในวงจรแม่เหล็ก วงจรแม่เหล็กทำหน้าที่ในขดลวดทุติยภูมิ (ขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลง) ขณะนี้ไฟฟ้าจากขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงถูกจ่ายให้กับผู้บริโภคแล้ว ทั้งหมดนี้ต้องขอบคุณปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและความรู้เกี่ยวกับกฎของอิเล็กโทรไดนามิกส์ซึ่งมีชื่อว่าฟาราเดย์

ความหมายทางกายภาพของกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าคือลักษณะของสนามไฟฟ้าวนเมื่อสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ซึ่งเกิดขึ้นในหม้อแปลงที่ใช้งานได้พอดี

ในทางปฏิบัติ เมื่อฟลักซ์แม่เหล็กทะลุผ่านพื้นผิวที่ล้อมรอบด้วยตัวนำมีการเปลี่ยนแปลง EMF จะถูกเหนี่ยวนำในตัวนำ ซึ่งมีค่าเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็ก (F) ในขณะที่สัญญาณของ EMF ที่เหนี่ยวนำ ตรงข้ามกับอัตราการเปลี่ยนแปลงที่ทำ F ความสัมพันธ์นี้เรียกอีกอย่างว่า "กฎการไหล":

นอกเหนือจากการเปลี่ยนฟลักซ์แม่เหล็กโดยตรงที่ทะลุผ่านลูปแล้ว ยังมีวิธีอื่นในการรับ EMF ในนั้นอีกด้วย — โดยใช้กำลัง Lorentz.

ดังที่คุณทราบขนาดของแรง Lorentz ขึ้นอยู่กับความเร็วของการเคลื่อนที่ของประจุในสนามแม่เหล็กขนาดของการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กและมุมที่ประจุที่กำหนดเคลื่อนที่เทียบกับเวกเตอร์การเหนี่ยวนำ ของสนามแม่เหล็ก:

ทิศทางของแรง Lorentz สำหรับประจุบวกถูกกำหนดโดยกฎ "มือซ้าย": หากคุณวางตำแหน่งมือซ้ายเพื่อให้เวกเตอร์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กเข้าสู่ฝ่ามือ และวางนิ้วที่ยื่นออกมาสี่นิ้วในทิศทางการเคลื่อนที่ของ ประจุบวกแล้วนิ้วหัวแม่มืองอ 90 องศา จะแสดงทิศทางของแรงลอเรนซ์

ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของกรณีดังกล่าวแสดงในรูป ที่นี่ แรง Lorentz ทำให้ปลายบนของตัวนำ (เช่น ลวดทองแดงชิ้นหนึ่ง) เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กกลายเป็นประจุบวก และปลายล่างเป็นประจุลบ เนื่องจากอิเล็กตรอนมีประจุลบ และพวกมันเองที่เคลื่อนที่มาที่นี่ .

อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ลงจนกระทั่งแรงดึงดูดของคูลอมบ์ระหว่างพวกมันกับประจุบวกที่ด้านตรงข้ามของเส้นลวดสมดุลกับแรงลอเรนซ์

กระบวนการนี้ทำให้เกิด EMF ของการเหนี่ยวนำในตัวนำ และปรากฏว่าเกี่ยวข้องโดยตรงกับกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ในความเป็นจริง ความแรงของสนามไฟฟ้า E ในเส้นลวดสามารถหาได้ดังนี้ (สมมติว่าเส้นลวดเคลื่อนที่เป็นมุมฉากกับเวกเตอร์ B):

ดังนั้น EMF ของการเหนี่ยวนำสามารถแสดงได้ดังนี้:

อาจสังเกตได้ว่าในตัวอย่างที่ให้มา ฟลักซ์แม่เหล็ก F เอง (ในฐานะวัตถุ) ไม่ได้รับการเปลี่ยนแปลงในอวกาศ แต่เส้นลวดตัดผ่านบริเวณที่ฟลักซ์แม่เหล็กตั้งอยู่ และคุณสามารถคำนวณพื้นที่ที่เส้นลวดเคลื่อนที่ผ่านได้อย่างง่ายดาย โดยการเคลื่อนที่ผ่านพื้นที่นั้นในช่วงเวลาที่กำหนด (นั่นคืออัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กที่กล่าวถึงข้างต้น)

ในกรณีทั่วไป เรามีสิทธิ์สรุปได้ว่าตาม «กฎฟลักซ์» EMF ในวงจรจะเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กผ่านวงจรนั้น โดยใช้เครื่องหมายตรงกันข้าม โดยไม่คำนึงว่าค่าของ ฟลักซ์ F เปลี่ยนแปลงโดยตรงเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กตามเวลาที่ลูปคงที่ ซึ่งเป็นผลมาจากการกระจัด (ข้ามฟลักซ์แม่เหล็ก) หรือการเสียรูปของลูปหรือทั้งสองอย่าง

กฎของแอมแปร์

พลังงานส่วนสำคัญที่สร้างขึ้นในโรงไฟฟ้าจะถูกส่งไปยังองค์กรต่างๆ โดยเครื่องยนต์ของเครื่องตัดโลหะต่างๆ ได้รับกระแสไฟฟ้า การทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้าขึ้นอยู่กับความเข้าใจของนักออกแบบ กฎของแอมแปร์.

กฎหมายนี้สร้างขึ้นโดย Andre Marie Ampere ในปี 1820 สำหรับกระแสตรง (ไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่กฎนี้เรียกอีกอย่างว่ากฎแห่งปฏิสัมพันธ์ของกระแสไฟฟ้า)

ตามกฎของแอมแปร์ สายคู่ขนานที่มีกระแสในทิศทางเดียวกันจะดึงดูดกัน และสายคู่ขนานที่มีกระแสตรงข้ามกันจะผลักกัน นอกจากนี้ กฎของแอมแปร์ยังอ้างถึงหลักทั่วไปในการพิจารณาแรงที่สนามแม่เหล็กกระทำต่อตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าในสนามที่กำหนด

ในรูปแบบง่ายๆ กฎของแอมแปร์สามารถระบุได้ดังนี้: แรง (เรียกว่าแรงของแอมแปร์) ซึ่งสนามแม่เหล็กกระทำต่อองค์ประกอบของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณของกระแสไฟฟ้าในตัวนำ และผลคูณเวกเตอร์ขององค์ประกอบของความยาวของเส้นลวดจากค่าของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก

ดังนั้น นิพจน์สำหรับหาโมดูลัสของแรงแอมแปร์ประกอบด้วยไซน์ของมุมระหว่างเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กและเวกเตอร์ปัจจุบันในตัวนำที่แรงนี้กระทำ (เพื่อกำหนดทิศทางของแรงแอมแปร์ คุณสามารถใช้กฎมือซ้าย ):

เมื่อนำไปใช้กับตัวนำที่มีปฏิสัมพันธ์สองตัว แรงของแอมแปร์จะกระทำต่อแต่ละตัวในทิศทางที่ขึ้นอยู่กับทิศทางของกระแสในตัวนำเหล่านั้น

สมมติว่ามีตัวนำบางๆ ยาวไม่จำกัดสองตัวในสุญญากาศที่มีกระแส I1 และ I2 และระยะห่างระหว่างตัวนำทุกที่เท่ากับ rจำเป็นต้องหาแรงแอมแปร์ที่กระทำต่อหน่วยความยาวของเส้นลวด (เช่น บนเส้นลวดเส้นแรกที่อยู่ด้านข้างเส้นที่สอง)

ตามกฎหมาย Bio-Savart-Laplace, ที่ระยะ r จากตัวนำที่เป็นอนันต์กับ I2 ในปัจจุบัน สนามแม่เหล็กจะมีการเหนี่ยวนำ:

ตอนนี้คุณสามารถหาแรงแอมแปร์ที่จะกระทำกับสายแรกซึ่งอยู่ที่จุดที่กำหนดในสนามแม่เหล็ก (ที่ตำแหน่งที่มีการเหนี่ยวนำที่กำหนด):

การรวมนิพจน์นี้เข้ากับความยาว แล้วแทนที่หนึ่งสำหรับความยาว เราได้รับแรงแอมแปร์ที่กระทำต่อหน่วยความยาวของเส้นลวดเส้นแรกที่ด้านข้างของเส้นที่สอง แรงที่คล้ายกันในทิศทางตรงกันข้ามเท่านั้นที่จะกระทำกับสายที่สองจากด้านแรก

หากปราศจากความเข้าใจในกฎของแอมแปร์ การออกแบบและประกอบมอเตอร์ไฟฟ้าปกติอย่างน้อยหนึ่งตัวในเชิงคุณภาพจะเป็นไปไม่ได้เลย

หลักการทำงานและการออกแบบมอเตอร์ไฟฟ้า

ประเภทของมอเตอร์ไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัส ลักษณะเฉพาะ

กฎของจูล-เลนซ์

พลังงานไฟฟ้าทั้งหมด สายส่งทำให้สายไฟเหล่านี้ร้อนขึ้น นอกจากนี้ พลังงานไฟฟ้าที่สำคัญยังถูกใช้เพื่อให้พลังงานแก่อุปกรณ์ทำความร้อนต่างๆ เพื่อให้ความร้อนแก่เส้นใยทังสเตนจนถึงอุณหภูมิสูง เป็นต้น การคำนวณผลกระทบความร้อนของกระแสไฟฟ้าเป็นไปตามกฎของ Joule-Lenz ซึ่งค้นพบในปี พ.ศ. 2384 โดย James Joule และเป็นอิสระในปี พ.ศ. 2385 โดย Emil Lenz

กฎหมายนี้วัดผลกระทบทางความร้อนของกระแสไฟฟ้ามีสูตรดังต่อไปนี้: "พลังของความร้อนที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยปริมาตร (w) ของตัวกลางเมื่อกระแสไฟฟ้าตรงไหลในนั้นจะเป็นสัดส่วนกับผลคูณของความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า (j) โดยค่าของความแรงของสนามไฟฟ้า (จ) «.

สำหรับสายไฟแบบบางจะใช้รูปแบบที่สมบูรณ์ของกฎหมาย: "ปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยเวลาจากส่วนของวงจรเป็นสัดส่วนกับผลคูณของกำลังสองของกระแสในส่วนที่พิจารณาโดยความต้านทานของส่วน » มันเขียนในรูปแบบต่อไปนี้:

กฎของ Joule-Lenz มีความสำคัญในทางปฏิบัติเป็นพิเศษในการส่งพลังงานไฟฟ้าผ่านสายไฟทางไกล

สรุปได้ว่าผลกระทบด้านความร้อนของกระแสไฟบนสายไฟเป็นสิ่งที่ไม่พึงปรารถนา เพราะจะนำไปสู่การสูญเสียพลังงาน และเนื่องจากกำลังส่งขึ้นอยู่กับทั้งแรงดันและขนาดของกระแสเป็นเชิงเส้น ในขณะที่กำลังความร้อนแปรผันตามกำลังสองของกระแส ดังนั้นการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่ส่งไฟฟ้าจึงเป็นประโยชน์ และลดกระแสลงตามลำดับ

กฎของโอห์ม

กฎพื้นฐานของวงจรไฟฟ้า — กฎของโอห์ม ค้นพบโดย Georg Ohm ในปี 1826… กฎหมายกำหนดความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแสไฟฟ้าขึ้นอยู่กับความต้านทานไฟฟ้าหรือการนำไฟฟ้า (สภาพการนำไฟฟ้า) ของสายไฟ ในแง่สมัยใหม่ กฎของโอห์มสำหรับวงจรสมบูรณ์เขียนได้ดังนี้

r - ความต้านทานภายในของแหล่งที่มา, R - ความต้านทานโหลด, e - EMF ของแหล่งที่มา, I - กระแสวงจร

จากบันทึกนี้จะตามมาว่า EMF ในวงจรปิดซึ่งกระแสที่กำหนดโดยแหล่งที่มาจะเท่ากับ:

ซึ่งหมายความว่าสำหรับวงจรปิด emf ของแหล่งที่มาจะเท่ากับผลรวมของแรงดันตกของวงจรภายนอกและความต้านทานภายในของแหล่งที่มา

กฎของโอห์มถูกกำหนดขึ้นดังนี้ «กระแสในส่วนของวงจรเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงดันที่ปลายวงจรและแปรผกผันกับความต้านทานไฟฟ้าของส่วนนี้ของวงจร» สัญกรณ์อื่นของกฎของโอห์มคือการนำไฟฟ้า G (การนำไฟฟ้า):

กฎของโอห์มสำหรับส่วนของวงจร

การประยุกต์ใช้กฎของโอห์มในทางปฏิบัติ

แรงดัน กระแส ความต้านทาน คืออะไร และนำไปใช้อย่างไรในทางปฏิบัติ