Die wichtigsten Gesetze der Elektrodynamik in kompakter und leicht verständlicher Form

Die Bedeutung der Elektrodynamik in der modernen Welt hängt vor allem mit den breiten technischen Möglichkeiten zusammen, die sie für die Übertragung elektrischer Energie über Fernleitungen, für Methoden der Verteilung und Umwandlung von Elektrizität in andere Formen eröffnet. von mechanisch, thermisch, Licht usw.

Die in Kraftwerken erzeugte elektrische Energie wird über kilometerlange Stromleitungen zu Haushalten und Industrieanlagen geleitet, wo elektromagnetische Kräfte die Motoren verschiedener Geräte, Haushaltsgeräte, Beleuchtung, Heizgeräte und mehr antreiben. Mit einem Wort, es ist unmöglich, sich eine moderne Wirtschaft und keinen einzigen Raum ohne eine Steckdose an der Wand vorzustellen.

All dies wurde nur dank der Kenntnis der Gesetze der Elektrodynamik möglich, die es ermöglicht, die Theorie mit der praktischen Anwendung der Elektrizität zu verbinden. In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick auf vier der praktischsten dieser Gesetze.

Das Gesetz der elektromagnetischen Induktion

Das Gesetz der elektromagnetischen Induktion ist die Grundlage für den Betrieb aller in Kraftwerken installierten elektrischen Generatoren, und nicht nur. Doch alles begann mit einem kaum wahrnehmbaren Strom, den Michael Faraday 1831 in einem Experiment mit der Bewegung eines Elektromagneten relativ zu einer Spule entdeckte.

Als Faraday nach den Aussichten seiner Entdeckung gefragt wurde, verglich er das Ergebnis seines Experiments mit der Geburt eines Kindes, das noch nicht erwachsen geworden ist. Bald wurde dieses Neugeborene zu einem wahren Helden, der das Gesicht der gesamten zivilisierten Welt veränderte.Siehe – Praktische Anwendung des Gesetzes der elektromagnetischen Induktion

Ein Generator in einem historischen Wasserkraftwerk in Deutschland

Moderner Kraftwerksgenerator Es ist nicht nur eine Spule mit einem Magneten. Es handelt sich um ein riesiges Bauwerk, das Stahlkonstruktionen, viele Spulen isolierter Kupferschienen, Tonnen Eisen, Isoliermaterialien sowie eine Vielzahl kleiner Teile enthält, die mit Präzision auf Bruchteile eines Millimeters gefertigt sind.

In der Natur gibt es natürlich kein so komplexes Gerät, aber die Natur hat dem Menschen im Experiment gezeigt, wie das Gerät funktionieren sollte, um durch mechanische Bewegungen unter dem Einfluss einer verfügbaren äußeren Kraft Strom zu erzeugen.

Der im Kraftwerk erzeugte Strom wird umgewandelt, verteilt und wieder umgewandelt Leistungstransformatoren, dessen Arbeit ebenfalls auf dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion basiert, enthält nur ein Transformator im Gegensatz zu einem Generator keine ständig bewegten Teile in seiner Konstruktion, sondern einen Magnetkreis mit Spulen.

Eine Wechselstromwicklung (Primärwicklung) wirkt auf den Magnetkreis, der Magnetkreis wirkt auf die Sekundärwicklungen (Sekundärwicklungen des Transformators). Der Strom aus den Sekundärwicklungen des Transformators wird nun an die Verbraucher verteilt. All dies funktioniert dank des Phänomens der elektromagnetischen Induktion und der Kenntnis des entsprechenden Gesetzes der Elektrodynamik, das den Namen Faraday trägt.

Die physikalische Bedeutung des Gesetzes der elektromagnetischen Induktion ist das Auftreten eines elektrischen Wirbelfelds, wenn sich das Magnetfeld im Laufe der Zeit ändert, was genau in einem funktionierenden Transformator geschieht.

Wenn sich in der Praxis der magnetische Fluss, der die vom Leiter begrenzte Oberfläche durchdringt, ändert, wird im Leiter eine EMK induziert, deren Wert gleich der Änderungsrate des magnetischen Flusses (F) und dem Vorzeichen der induzierten EMF ist ist entgegengesetzt zur Rate der vorgenommenen Änderung F. Diese Beziehung wird auch „Flussregel“ genannt:

Neben der direkten Änderung des magnetischen Flusses, der die Schleife durchdringt, ist eine andere Methode zur Erzielung einer EMF darin möglich: unter Verwendung der Lorentzkraft.

Wie Sie wissen, hängt die Größe der Lorentzkraft von der Bewegungsgeschwindigkeit der Ladung in einem Magnetfeld, von der Größe der Induktion des Magnetfelds und vom Winkel ab, in dem sich die jeweilige Ladung relativ zum Induktionsvektor bewegt des Magnetfeldes:

Die Richtung der Lorentzkraft für eine positive Ladung wird durch die „Linkshänder“-Regel bestimmt: Wenn Sie Ihre linke Hand so positionieren, dass der Vektor der magnetischen Induktion in die Handfläche eintritt, und vier ausgestreckte Finger in Bewegungsrichtung platziert werden B. die positive Ladung, dann zeigt ein um 90 Grad gebogener Daumen die Richtung der Lorentzkraft an.

Das einfachste Beispiel für einen solchen Fall ist in der Abbildung dargestellt. Hier bewirkt die Lorentzkraft, dass das obere Ende eines Leiters (z. B. ein Stück Kupferdraht), der sich in einem Magnetfeld bewegt, positiv und sein unteres Ende negativ geladen wird, da Elektronen eine negative Ladung haben und sie es sind, die sich hier bewegen .

Die Elektronen bewegen sich nach unten, bis die Coulomb-Anziehung zwischen ihnen und der positiven Ladung auf der gegenüberliegenden Seite des Drahtes die Lorentz-Kraft ausgleicht.

Dieser Prozess verursacht das Auftreten einer EMF-Induktion im Leiter und steht, wie sich herausstellte, in direktem Zusammenhang mit dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion. Tatsächlich kann die elektrische Feldstärke E im Draht wie folgt ermittelt werden (angenommen, der Draht bewegt sich im rechten Winkel zum Vektor B):

daher kann die EMF der Induktion wie folgt ausgedrückt werden:

Es ist anzumerken, dass im gegebenen Beispiel der magnetische Fluss F selbst (als Objekt) keine räumlichen Veränderungen erfährt, der Draht jedoch den Bereich durchquert, in dem sich der magnetische Fluss befindet, und Sie können die Fläche, die ein Draht durchquert, leicht berechnen durch Bewegung durch diesen Raumbereich während einer bestimmten Zeit (d. h. der oben erwähnten Änderungsrate des magnetischen Flusses).

Im allgemeinen Fall können wir zu dem Schluss kommen, dass gemäß der „Flussregel“ die EMF in einem Stromkreis gleich der Änderungsrate des magnetischen Flusses durch diesen Stromkreis ist, mit umgekehrtem Vorzeichen, unabhängig davon, ob der Wert von Der Fluss F ändert sich direkt aufgrund einer zeitlichen Änderung der Induktion des Magnetfelds an einer festen Schleife, entweder infolge einer Verschiebung (Kreuzung des magnetischen Flusses) oder einer Verformung der Schleife oder beidem.

Ampere-Gesetz

Ein erheblicher Teil der in Kraftwerken erzeugten Energie wird an Unternehmen weitergeleitet, wo die Motoren verschiedener Metallbearbeitungsmaschinen mit Strom versorgt werden. Der Betrieb von Elektromotoren basiert auf dem Verständnis ihrer Konstrukteure Ampere-Gesetz.

Dieses Gesetz wurde 1820 von Andre Marie Ampere für Gleichströme aufgestellt (nicht umsonst wird dieses Gesetz auch Gesetz der Wechselwirkung elektrischer Ströme genannt).

Nach dem Ampere-Gesetz ziehen sich parallele Drähte mit gleichgerichteten Strömen gegenseitig an und parallele Drähte mit entgegengesetzt gerichteten Strömen stoßen sich ab. Darüber hinaus bezeichnet das Amperesche Gesetz die Faustregel zur Bestimmung der Kraft, mit der ein Magnetfeld auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem bestimmten Feld einwirkt.

In einfacher Form lässt sich das Ampere-Gesetz wie folgt formulieren: Die Kraft (Ampere-Kraft genannt), mit der ein Magnetfeld auf ein Element eines stromdurchflossenen Leiters in einem Magnetfeld einwirkt, ist direkt proportional zur Strommenge im Leiter und das Vektorprodukt des Elements der Drahtlänge aus dem Wert der magnetischen Induktion.

Dementsprechend enthält der Ausdruck zur Ermittlung des Moduls der Ampere-Kraft den Sinus des Winkels zwischen dem magnetischen Induktionsvektor und dem Stromvektor im Leiter, auf den diese Kraft einwirkt (um die Richtung der Ampere-Kraft zu bestimmen, können Sie die Linke-Hand-Regel verwenden). ):

Auf zwei wechselwirkende Leiter angewendet, wirkt die Ampere-Kraft auf jeden von ihnen in einer Richtung, die von der jeweiligen Richtung der Ströme in diesen Leitern abhängt.

Angenommen, es gibt zwei unendlich lange dünne Leiter im Vakuum mit den Strömen I1 und I2, und der Abstand zwischen den Leitern ist überall gleich r.Es ist notwendig, die Ampere-Kraft zu ermitteln, die auf eine Einheitslänge des Drahtes wirkt (z. B. auf den ersten Draht auf der Seite des zweiten).

Nach dem Bio-Savart-Laplace-GesetzIm Abstand r von einem unendlichen Leiter mit dem Strom I2 hat das Magnetfeld eine Induktion:

Jetzt können Sie die Ampere-Kraft ermitteln, die auf den ersten Draht an einem bestimmten Punkt im Magnetfeld (an einem Ort mit einer bestimmten Induktion) wirkt:

Wenn wir diesen Ausdruck über die Länge integrieren und dann die Länge durch Eins ersetzen, erhalten wir die Amperekraft, die pro Längeneinheit des ersten Drahtes auf der Seite des zweiten Drahtes wirkt. Eine ähnliche Kraft, nur in der entgegengesetzten Richtung, wirkt von der Seite des ersten auf den zweiten Draht.

Ohne ein Verständnis des Ampereschen Gesetzes wäre es einfach unmöglich, mindestens einen normalen Elektromotor qualitativ zu entwerfen und zusammenzubauen.

Funktionsprinzip und Aufbau des Elektromotors

Arten von asynchronen Elektromotoren, ihre Eigenschaften

Das Joule-Lenz-Gesetz

Alles elektrische Energie Übertragungsleitung, führt zu einer Erwärmung dieser Drähte. Darüber hinaus wird bestimmungsgemäß erhebliche Mengen an elektrischer Energie verbraucht, um verschiedene Heizgeräte anzutreiben, Wolframfäden auf hohe Temperaturen zu erhitzen usw. Berechnungen der Heizwirkung von elektrischem Strom basieren auf dem Joule-Lenz-Gesetz, das 1841 von James Joule und unabhängig davon 1842 von Emil Lenz entdeckt wurde.

Dieses Gesetz quantifiziert die thermische Wirkung eines elektrischen Stroms.Es wird wie folgt formuliert: „Die pro Volumeneinheit (w) des Mediums freigesetzte Wärmeleistung, wenn darin ein elektrischer Gleichstrom fließt, ist proportional zum Produkt der elektrischen Stromdichte (j) mit dem Wert der elektrischen Feldstärke.“ (E) «.

Für dünne Drähte wird die Integralform des Gesetzes verwendet: „Die pro Zeiteinheit von einem Abschnitt des Stromkreises abgegebene Wärmemenge ist proportional zum Produkt aus dem Quadrat des Stroms im betrachteten Abschnitt und dem Widerstand des Abschnitts.“ » Es ist in folgender Form verfasst:

Von besonderer praktischer Bedeutung ist das Joule-Lenz-Gesetz bei der Übertragung elektrischer Energie über Fernleitungen.

Die Schlussfolgerung ist, dass die thermische Wirkung des Stroms auf der Stromleitung unerwünscht ist, da sie zu Energieverlusten führt. Und da die übertragene Leistung linear sowohl von der Spannung als auch von der Stärke des Stroms abhängt, während die Heizleistung proportional zum Quadrat des Stroms ist, ist es vorteilhaft, die Spannung, mit der Strom übertragen wird, zu erhöhen und den Strom entsprechend zu verringern.

Ohm'sches Gesetz

Das Grundgesetz des Stromkreises – Ohmsches Gesetz, 1826 von Georg Ohm entdeckt.… Das Gesetz bestimmt den Zusammenhang zwischen elektrischer Spannung und Strom in Abhängigkeit vom elektrischen Widerstand bzw. der Leitfähigkeit (elektrische Leitfähigkeit) des Drahtes. In modernen Begriffen lautet das Ohmsche Gesetz für einen vollständigen Stromkreis wie folgt:

r – Innenwiderstand der Quelle, R – Lastwiderstand, e – EMF der Quelle, I – Strom im Stromkreis

Aus dieser Aufzeichnung folgt, dass die EMF in einem geschlossenen Stromkreis, durch den der von der Quelle gegebene Strom fließt, gleich ist:

Das bedeutet, dass bei einem geschlossenen Stromkreis die EMK der Quelle gleich der Summe aus dem Spannungsabfall des externen Stromkreises und dem Innenwiderstand der Quelle ist.

Das Ohmsche Gesetz ist wie folgt formuliert: „Der Strom in einem Abschnitt des Stromkreises ist direkt proportional zur Spannung an seinen Enden und umgekehrt proportional zum elektrischen Widerstand dieses Abschnitts des Stromkreises.“ Eine andere Notation des Ohmschen Gesetzes ist der Leitwert G (elektrische Leitfähigkeit):

Ohmsches Gesetz für einen Abschnitt eines Stromkreises

Anwendung des Ohmschen Gesetzes in der Praxis

Was sind Spannung, Strom, Widerstand und wie werden sie in der Praxis verwendet?