أهم قوانين الديناميكا الكهربائية بشكل موجز وسهل

ترتبط أهمية الديناميكا الكهربائية في العالم الحديث في المقام الأول بالإمكانيات التقنية الواسعة التي تفتحها لنقل الطاقة الكهربائية عبر أسلاك المسافات الطويلة ، لطرق توزيع الكهرباء وتحويلها إلى أشكال أخرى ، - الميكانيكية والحرارية والضوء ، إلخ.

ولدت في محطات الطاقة ، يتم إرسال الطاقة الكهربائية عبر أميال من خطوط الطاقة - إلى المنازل والمنشآت الصناعية ، حيث تقود القوى الكهرومغناطيسية محركات المعدات المختلفة ، والأجهزة المنزلية ، والإضاءة ، وأجهزة التدفئة ، وأكثر من ذلك. باختصار ، من المستحيل تخيل اقتصاد حديث وليس غرفة واحدة بدون منفذ على الحائط.

كل هذا أصبح ممكنًا فقط بفضل معرفة قوانين الديناميكا الكهربائية ، والتي تسمح بربط النظرية بالتطبيق العملي للكهرباء. في هذه المقالة ، سوف نلقي نظرة فاحصة على أربعة من أكثر هذه القوانين عملية.

قانون الحث الكهرومغناطيسي

قانون الحث الكهرومغناطيسي هو أساس تشغيل جميع المولدات الكهربائية المركبة في محطات توليد الطاقة ، وليس فقط. لكن كل شيء بدأ بتيار بالكاد ملحوظ ، اكتشفه مايكل فاراداي في عام 1831 في تجربة مع حركة مغناطيس كهربائي بالنسبة للملف.

عندما سُئل فاراداي عن احتمالات اكتشافه ، قارن نتيجة تجربته بولادة طفل لم يكبر بعد. سرعان ما أصبح هذا المولود بطلاً حقيقيًا غير وجه العالم المتحضر بأكمله. التطبيق العملي لقانون الحث الكهرومغناطيسي

مولد في محطة كهرومائية تاريخية في ألمانيا

مولدات الطاقة الحديثة إنه ليس مجرد ملف بمغناطيس. إنه هيكل ضخم يحتوي على هياكل فولاذية ، والعديد من ملفات قضبان التوصيل النحاسية المعزولة ، وأطنان من الحديد ، ومواد عازلة ، بالإضافة إلى عدد كبير من الأجزاء الصغيرة المصنعة بدقة تصل إلى كسور من المليمتر.

في الطبيعة ، بالطبع ، لا يمكن العثور على مثل هذا الجهاز المعقد ، لكن الطبيعة في التجربة أظهرت للإنسان كيف يجب أن يعمل الجهاز لإنتاج الكهرباء من خلال حركات ميكانيكية تحت تأثير قوة خارجية متاحة.

يتم تحويل الكهرباء المولدة في محطة توليد الكهرباء وتوزيعها وتحويلها مرة أخرى بفضل محولات الكهرباء، الذي يعتمد عمله أيضًا على ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي ، فإن المحول فقط ، على عكس المولد ، لا يتضمن أجزاء متحركة باستمرار في تصميمه ، بل يحتوي بدلاً من ذلك على دائرة مغناطيسية ذات ملفات.

يعمل ملف التيار المتردد (الملف الأولي) على الدائرة المغناطيسية ، وتعمل الدائرة المغناطيسية على اللفات الثانوية (اللفات الثانوية للمحول). يتم الآن توزيع الكهرباء من اللفات الثانوية للمحول على المستهلكين. كل هذا يعمل بفضل ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي ومعرفة القانون المقابل للديناميكا الكهربائية ، والذي يحمل اسم فاراداي.

المعنى المادي لقانون الحث الكهرومغناطيسي هو ظهور مجال كهربائي دوامي عندما يتغير المجال المغناطيسي بمرور الوقت ، وهو ما يحدث بالضبط في محول عامل.

في الممارسة العملية ، عندما يخترق التدفق المغناطيسي السطح الذي يحده تغير الموصل ، يتم إحداث EMF في الموصل ، وتكون قيمته مساوية لمعدل تغير التدفق المغناطيسي (F) ، في حين أن علامة EMF المستحثة هو عكس معدل التغيير الذي تم إجراؤه F. وتسمى هذه العلاقة أيضًا "قاعدة التدفق":

بالإضافة إلى التغيير المباشر للتدفق المغناطيسي الذي يخترق الحلقة ، هناك طريقة أخرى للحصول على EMF فيها ، - باستخدام قوة لورنتز.

يعتمد حجم قوة لورنتز ، كما تعلم ، على سرعة حركة الشحنة في المجال المغناطيسي ، وعلى حجم تحريض المجال المغناطيسي وعلى الزاوية التي تتحرك فيها الشحنة المعطاة بالنسبة إلى ناقل الحث. المجال المغناطيسي:

يتم تحديد اتجاه قوة لورنتز لشحنة موجبة من خلال قاعدة "اليد اليسرى": إذا وضعت يدك اليسرى بحيث يدخل متجه الحث المغناطيسي راحة اليد ، ويتم وضع أربعة أصابع ممدودة في اتجاه حركة الشحنة الموجبة ، ثم ثني الإبهام عند 90 درجة سيشير إلى اتجاه قوة لورنتز.

يظهر الشكل الأبسط لمثل هذه الحالة في الشكل. هنا ، تتسبب قوة لورنتز في تحرك الطرف العلوي للموصل (على سبيل المثال ، قطعة من الأسلاك النحاسية) في مجال مغناطيسي ليصبح موجب الشحنة ويكون نهايته السفلية مشحونة سالبًا ، لأن الإلكترونات لها شحنة سالبة وهم الذين يتحركون هنا .

سوف تتحرك الإلكترونات لأسفل حتى يوازن تجاذب كولوم بينهم والشحنة الموجبة على الجانب الآخر من السلك قوة لورنتز.

تتسبب هذه العملية في ظهور EMF للحث في الموصل ، كما اتضح فيما بعد ، ترتبط ارتباطًا مباشرًا بقانون الحث الكهرومغناطيسي. في الواقع ، يمكن العثور على شدة المجال الكهربائي E في السلك على النحو التالي (افترض أن السلك يتحرك بزاوية قائمة على المتجه B):

لذلك ، يمكن التعبير عن EMF للتحريض على النحو التالي:

تجدر الإشارة إلى أنه في المثال المعطى ، لا يخضع التدفق المغناطيسي F نفسه (ككائن) لتغييرات في الفضاء ، لكن السلك يعبر المنطقة التي يوجد بها التدفق المغناطيسي ، ويمكنك بسهولة حساب المنطقة التي يمر بها السلك عن طريق التحرك عبر تلك المنطقة من الفضاء خلال فترة زمنية معينة (أي معدل تغير التدفق المغناطيسي المذكور أعلاه).

في الحالة العامة ، يحق لنا أن نستنتج أنه وفقًا لـ "قاعدة التدفق" ، فإن EMF في دائرة ما يساوي معدل تغير التدفق المغناطيسي عبر تلك الدائرة ، المأخوذة بعلامة معاكسة ، بغض النظر عما إذا كانت قيمة يتغير التدفق F بشكل مباشر بسبب التغيير في تحريض المجال المغناطيسي بمرور الوقت في حلقة ثابتة إما نتيجة الإزاحة (عبور التدفق المغناطيسي) أو تشوه الحلقة أو كليهما.

قانون امبير

يتم إرسال جزء كبير من الطاقة المولدة في محطات الطاقة إلى المؤسسات ، حيث يتم تزويد محركات آلات القطع المعدنية المختلفة بالكهرباء. يعتمد تشغيل المحركات الكهربائية على فهم مصمميها قانون امبير.

تم وضع هذا القانون بواسطة Andre Marie Ampere في عام 1820 للتيارات المباشرة (ليس من قبيل المصادفة أن يسمى هذا القانون أيضًا قانون تفاعل التيارات الكهربائية).

وفقًا لقانون Ampere ، فإن الأسلاك المتوازية ذات التيارات في نفس الاتجاه تجذب بعضها البعض ، والأسلاك المتوازية ذات التيارات الموجهة بشكل معاكس تتنافر. بالإضافة إلى ذلك ، يشير قانون Ampere إلى القاعدة الأساسية لتحديد القوة التي يعمل بها المجال المغناطيسي على موصل يحمل تيارًا في مجال معين.

في شكل بسيط ، يمكن تحديد قانون Ampere على النحو التالي: القوة (تسمى قوة Ampere) التي يعمل بها المجال المغناطيسي على عنصر موصل يحمل تيارًا في مجال مغناطيسي تتناسب طرديًا مع مقدار التيار في الموصل ومنتج المتجه لعنصر طول السلك من قيمة الحث المغناطيسي.

وفقًا لذلك ، فإن التعبير الخاص بإيجاد معامل قوة أمبير يحتوي على جيب الزاوية بين ناقل الحث المغناطيسي والمتجه الحالي في الموصل الذي تعمل عليه هذه القوة (لتحديد اتجاه قوة الأمبير ، يمكنك استخدام قاعدة اليد اليسرى ):

عند تطبيقها على موصلين متفاعلين ، ستعمل قوة أمبير على كل منهما في اتجاه يعتمد على الاتجاهات الخاصة بالتيارات في تلك الموصلات.

لنفترض أن هناك موصلين رفيعين طويلين بشكل لانهائي في الفراغ مع التيارين I1 و I2 ، والمسافة بين الموصلات في كل مكان تساوي r.من الضروري إيجاد قوة الأمبير التي تعمل على طول وحدة السلك (على سبيل المثال ، على السلك الأول على جانب السلك الثاني).

وفقًا لقانون Bio-Savart-Laplace، على مسافة r من موصل لانهائي مع التيار I2 ، سيكون للمجال المغناطيسي تحريض:

يمكنك الآن إيجاد قوة الأمبير التي ستؤثر على السلك الأول الموجود في نقطة معينة في المجال المغناطيسي (في مكان مع تحريض معين):

بدمج هذا التعبير على الطول ، ثم استبدال الطول بواحد ، نحصل على قوة الأمبير المؤثرة لكل وحدة طول للسلك الأول على جانب الثاني. قوة مماثلة ، فقط في الاتجاه المعاكس ، ستؤثر على السلك الثاني من جانب الأول.

بدون فهم قانون Ampere ، سيكون من المستحيل ببساطة تصميم وتجميع محرك كهربائي عادي واحد على الأقل نوعيًا.

مبدأ تشغيل وتصميم المحرك الكهربائي

أنواع المحركات الكهربائية غير المتزامنة وخصائصها

قانون جول لينز

كل الطاقة الكهربائية خط التحويل، يؤدي إلى تسخين هذه الأسلاك. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام طاقة كهربائية كبيرة على النحو المقصود لتشغيل أجهزة تسخين مختلفة ، لتسخين خيوط التنجستن إلى درجات حرارة عالية ، إلخ. تستند حسابات تأثير التسخين للتيار الكهربائي إلى قانون جول لينز ، الذي اكتشفه جيمس جول عام 1841 وبشكل مستقل في عام 1842 بواسطة إميل لينز.

يحدد هذا القانون التأثير الحراري للتيار الكهربائي.تتم صياغتها على النحو التالي: "إن قوة الحرارة المنبعثة لكل وحدة حجم (ث) من الوسط عندما يتدفق تيار كهربائي مباشر فيه تتناسب مع ناتج كثافة التيار الكهربائي (ي) بقيمة شدة المجال الكهربائي (هـ) «.

بالنسبة للأسلاك الرقيقة ، يتم استخدام الشكل المتكامل للقانون: "كمية الحرارة المنبعثة لكل وحدة زمنية من قسم من الدائرة تتناسب مع ناتج مربع التيار في القسم المدروس بمقاومة المقطع. »هي مكتوبة بالصيغة التالية:

يتمتع قانون جول لينز بأهمية عملية خاصة في نقل الطاقة الكهربائية عبر أسلاك المسافات الطويلة.

الاستنتاج هو أن التأثير الحراري للتيار على خط الكهرباء غير مرغوب فيه لأنه يؤدي إلى فقد الطاقة. ونظرًا لأن الطاقة المرسلة تعتمد خطيًا على كل من الجهد وحجم التيار ، بينما تتناسب طاقة التسخين مع مربع التيار ، فمن المفيد زيادة الجهد الذي تنتقل عنده الكهرباء ، مما يقلل التيار وفقًا لذلك.

قانون أوم

القانون الأساسي للدائرة الكهربائية - قانون أوم ، اكتشفه جورج أوم عام 1826.... يحدد القانون العلاقة بين الجهد الكهربائي والتيار اعتمادًا على المقاومة أو التوصيل الكهربائي (التوصيل الكهربائي) للسلك. في المصطلحات الحديثة ، يتم كتابة قانون أوم لدائرة كاملة على النحو التالي:

r - المقاومة الداخلية للمصدر ، مقاومة الحمل R ، مصدر التيار الكهرومغناطيسي ، تيار الدائرة الكهربية

من هذا السجل ، يترتب على ذلك أن EMF في دائرة مغلقة يكون من خلالها التيار الناتج عن تدفقات المصدر مساويًا لـ:

هذا يعني أنه بالنسبة لدائرة مغلقة ، فإن مصدر emf يساوي مجموع انخفاض الجهد للدائرة الخارجية والمقاومة الداخلية للمصدر.

تمت صياغة قانون أوم على النحو التالي: "يتناسب التيار في قسم من الدائرة بشكل مباشر مع الجهد في نهاياته ويتناسب عكسياً مع المقاومة الكهربائية لهذا القسم من الدائرة." تدوين آخر لقانون أوم هو الموصلية G (التوصيل الكهربائي):

قانون أوم لقسم من الدائرة

تطبيق قانون أوم عمليا

ما هي الجهد والتيار والمقاومة وكيف يتم استخدامها في الممارسة