Hukum elektrodinamika yang paling penting dalam bentuk yang ringkas dan dapat diakses

Pentingnya elektrodinamika di dunia modern terutama terkait dengan kemungkinan teknis yang luas yang terbuka untuk transmisi energi listrik melalui kabel jarak jauh, untuk metode distribusi dan konversi listrik ke bentuk lain, — mekanik, termal, cahaya, dll.

Dihasilkan di pembangkit listrik, energi listrik dikirim melalui saluran listrik bermil-mil — ke rumah dan fasilitas industri, di mana gaya elektromagnetik menggerakkan motor dari berbagai peralatan, peralatan rumah tangga, penerangan, alat pemanas, dan banyak lagi. Singkatnya, tidak mungkin membayangkan ekonomi modern dan tidak ada satu ruangan pun tanpa stopkontak di dinding.

Semua ini menjadi mungkin hanya berkat pengetahuan tentang hukum elektrodinamika, yang memungkinkan untuk menghubungkan teori dengan penerapan praktis kelistrikan. Dalam artikel ini, kita akan melihat lebih dekat empat hukum yang paling praktis.

Hukum induksi elektromagnetik

Hukum induksi elektromagnetik adalah dasar dari pengoperasian semua generator listrik yang dipasang di pembangkit listrik, dan tidak hanya. Tapi semuanya dimulai dengan arus yang hampir tidak terlihat, ditemukan pada tahun 1831 oleh Michael Faraday dalam percobaan dengan pergerakan elektromagnet relatif terhadap sebuah kumparan.

Ketika Faraday ditanya tentang prospek penemuannya, ia membandingkan hasil eksperimennya dengan kelahiran seorang anak yang belum dewasa. Segera bayi yang baru lahir ini menjadi pahlawan sejati yang mengubah wajah seluruh dunia yang beradab. Lihat — Penerapan praktis dari hukum induksi elektromagnetik

Generator di pembangkit listrik tenaga air bersejarah di Jerman

Pembangkit listrik modern itu bukan hanya sebuah kumparan dengan magnet. Ini adalah struktur besar yang berisi struktur baja, banyak gulungan busbar tembaga berinsulasi, berton-ton besi, bahan isolasi, serta sejumlah besar bagian kecil yang diproduksi dengan presisi hingga sepersekian milimeter.

Di alam, tentu saja, perangkat yang begitu rumit tidak dapat ditemukan, tetapi alam dalam percobaan menunjukkan kepada manusia bagaimana perangkat itu harus bekerja untuk menghasilkan listrik melalui gerakan mekanis di bawah pengaruh gaya eksternal yang tersedia.

Listrik yang dihasilkan di pembangkit listrik diubah, didistribusikan, dan dikonversi lagi berkat transformator daya, yang pekerjaannya juga didasarkan pada fenomena induksi elektromagnetik, hanya transformator, tidak seperti generator, tidak memasukkan bagian yang terus bergerak dalam desainnya, melainkan berisi sirkuit magnet dengan kumparan.

Belitan AC (belitan primer) bekerja pada sirkuit magnetik, sirkuit magnetik bekerja pada belitan sekunder (belitan sekunder transformator). Listrik dari belitan sekunder trafo sekarang didistribusikan ke konsumen. Semua ini bekerja berkat fenomena induksi elektromagnetik dan pengetahuan tentang hukum elektrodinamika yang sesuai, yang menyandang nama Faraday.

Arti fisik dari hukum induksi elektromagnetik adalah munculnya medan listrik pusaran ketika medan magnet berubah dari waktu ke waktu, yang terjadi persis di transformator yang berfungsi.

Dalam praktiknya, ketika fluks magnet yang menembus permukaan yang dibatasi oleh konduktor berubah, EMF diinduksi dalam konduktor, yang nilainya sama dengan laju perubahan fluks magnet (F), sedangkan tanda EMF yang diinduksi berlawanan dengan laju perubahan yang dibuat F. Hubungan ini juga disebut "aturan aliran":

Selain mengubah fluks magnet yang menembus loop secara langsung, metode lain untuk memperoleh EMF di dalamnya dimungkinkan, — menggunakan gaya Lorentz.

Besarnya gaya Lorentz, seperti yang Anda ketahui, bergantung pada kecepatan pergerakan muatan dalam medan magnet, besarnya induksi medan magnet, dan sudut pergerakan muatan tertentu relatif terhadap vektor induksi. dari medan magnet:

Arah gaya Lorentz untuk muatan positif ditentukan oleh aturan "tangan kiri": jika Anda memposisikan tangan kiri Anda sedemikian rupa sehingga vektor induksi magnet memasuki telapak tangan, dan empat jari yang terulur ditempatkan searah dengan gerakan muatan positif, maka ibu jari yang ditekuk 90 derajat akan menunjukkan arah gaya Lorentz.

Contoh paling sederhana dari kasus seperti itu ditunjukkan pada gambar. Di sini, gaya Lorentz menyebabkan ujung atas konduktor (katakanlah, seutas kawat tembaga) yang bergerak dalam medan magnet menjadi bermuatan positif dan ujung bawahnya bermuatan negatif, karena elektron bermuatan negatif dan merekalah yang bergerak ke sini. .

Elektron akan bergerak ke bawah sampai tarikan Coulomb di antara mereka dan muatan positif di sisi berlawanan dari kawat menyeimbangkan gaya Lorentz.

Proses ini menyebabkan munculnya EMF induksi pada konduktor dan ternyata berhubungan langsung dengan hukum induksi elektromagnetik. Nyatanya, kuat medan listrik E pada kawat dapat ditemukan sebagai berikut (anggap kawat bergerak tegak lurus terhadap vektor B):

oleh karena itu, EMF dari induksi dapat dinyatakan sebagai berikut:

Dapat dicatat bahwa dalam contoh yang diberikan fluks magnet F itu sendiri (sebagai objek) tidak mengalami perubahan dalam ruang, tetapi kawat melintasi area di mana fluks magnet berada, dan Anda dapat dengan mudah menghitung luas yang dilalui kawat. dengan bergerak melalui wilayah ruang itu selama waktu tertentu (yaitu, laju perubahan fluks magnet yang disebutkan di atas).

Dalam kasus umum, kami berhak menyimpulkan bahwa menurut «aturan fluks» EMF dalam suatu rangkaian sama dengan laju perubahan fluks magnet melalui rangkaian itu, diambil dengan tanda yang berlawanan, terlepas dari apakah nilai fluks F langsung berubah karena perubahan induksi medan magnet dengan waktu pada loop tetap baik sebagai akibat perpindahan (melintasi fluks magnet) atau deformasi loop atau keduanya.

Hukum Ampere

Sebagian besar energi yang dihasilkan di pembangkit listrik dikirim ke perusahaan, di mana mesin dari berbagai mesin pemotong logam disuplai dengan listrik. Pengoperasian motor listrik didasarkan pada pemahaman perancangnya Hukum Ampere.

Hukum ini dibuat oleh Andre Marie Ampere pada tahun 1820 untuk arus searah (bukan kebetulan bahwa hukum ini juga disebut hukum interaksi arus listrik).

Menurut hukum Ampere, kabel paralel dengan arus dalam arah yang sama menarik satu sama lain, dan kabel paralel dengan arus berlawanan arah saling tolak. Selain itu, hukum Ampere mengacu pada aturan praktis untuk menentukan gaya medan magnet yang bekerja pada konduktor pembawa arus dalam medan tertentu.

Dalam bentuk sederhana, hukum Ampere dapat dinyatakan sebagai berikut: gaya (disebut gaya Ampere) yang dengannya medan magnet bekerja pada elemen konduktor pembawa arus dalam medan magnet berbanding lurus dengan jumlah arus dalam konduktor dan produk vektor elemen panjang kawat dari nilai induksi magnetik.

Dengan demikian, ungkapan untuk menemukan modulus gaya Ampere berisi sinus sudut antara vektor induksi magnet dan vektor arus dalam konduktor tempat gaya ini bekerja (untuk menentukan arah gaya Ampere, Anda dapat menggunakan aturan tangan kiri ):

Diterapkan pada dua konduktor yang berinteraksi, gaya Ampere akan bekerja pada masing-masing konduktor dalam arah yang bergantung pada arah masing-masing arus dalam konduktor tersebut.

Misalkan ada dua konduktor tipis yang panjangnya tak terhingga dalam ruang hampa dengan arus I1 dan I2, dan jarak antara konduktor di mana-mana sama dengan r.Penting untuk menemukan gaya Ampere yang bekerja pada satu satuan panjang kabel (misalnya, pada kabel pertama di sisi kabel kedua).

Menurut hukum Bio-Savart-Laplace, pada jarak r dari konduktor tak hingga dengan arus I2, medan magnet akan memiliki induksi:

Sekarang Anda dapat menemukan gaya Ampere yang akan bekerja pada kabel pertama yang terletak di titik tertentu dalam medan magnet (di tempat dengan induksi tertentu):

Mengintegrasikan pernyataan ini pada panjang, dan kemudian mengganti satu dengan panjang, kita memperoleh gaya ampere yang bekerja per satuan panjang dari kawat pertama pada sisi yang kedua. Gaya serupa, hanya dalam arah yang berlawanan, akan bekerja pada kabel kedua dari sisi kabel pertama.

Tanpa pemahaman tentang hukum Ampere, tidak mungkin merancang dan merakit secara kualitatif setidaknya satu motor listrik normal.

Prinsip operasi dan desain motor listrik

Jenis motor listrik asinkron, karakteristiknya

Hukum Joule-Lenz

Semua energi listrik jalur transmisi, menyebabkan kabel ini memanas. Selain itu, energi listrik yang signifikan digunakan untuk memberi daya pada berbagai perangkat pemanas, untuk memanaskan filamen tungsten ke suhu tinggi, dll. Perhitungan efek pemanasan arus listrik didasarkan pada hukum Joule-Lenz, ditemukan pada tahun 1841 oleh James Joule dan secara independen pada tahun 1842 oleh Emil Lenz.

Hukum ini mengukur efek termal dari arus listrik.Diformulasikan sebagai berikut: "Kekuatan kalor yang dilepaskan per satuan volume (w) medium ketika arus listrik searah mengalir di dalamnya sebanding dengan hasil kerapatan arus listrik (j) dengan nilai kuat medan listrik (E) «.

Untuk kabel tipis, bentuk hukum yang tidak terpisahkan digunakan: "jumlah panas yang dilepaskan per satuan waktu dari suatu bagian sirkuit sebanding dengan produk kuadrat arus di bagian yang ditinjau oleh resistansi bagian tersebut. » Ditulis dalam bentuk berikut:

Hukum Joule-Lenz sangat penting secara praktis dalam transmisi energi listrik melalui kabel jarak jauh.

Kesimpulannya adalah efek termal arus pada saluran listrik tidak diinginkan karena menyebabkan kerugian energi. Dan karena daya yang ditransmisikan bergantung secara linier pada tegangan dan besarnya arus, sedangkan daya pemanas sebanding dengan kuadrat arus, akan menguntungkan untuk meningkatkan tegangan di mana listrik ditransmisikan, sehingga mengurangi arus.

Hukum Ohm

Hukum dasar rangkaian listrik — Hukum Ohm, ditemukan oleh Georg Ohm pada tahun 1826.… Hukum menentukan hubungan antara tegangan listrik dan arus tergantung pada hambatan atau konduktivitas listrik (konduktivitas listrik) dari kawat. Dalam istilah modern, hukum Ohm untuk rangkaian lengkap ditulis sebagai berikut:

r — resistansi internal sumber, R — resistansi beban, e — sumber EMF, I — arus rangkaian

Dari catatan ini dapat disimpulkan bahwa EMF dalam rangkaian tertutup yang melaluinya arus yang diberikan oleh sumber mengalir akan sama dengan:

Ini berarti bahwa untuk rangkaian tertutup, ggl sumber sama dengan jumlah penurunan tegangan rangkaian eksternal dan resistansi internal sumber.

Hukum Ohm dirumuskan sebagai berikut: «arus di bagian sirkuit berbanding lurus dengan tegangan di ujungnya dan berbanding terbalik dengan hambatan listrik di bagian sirkuit ini.» Notasi lain dari hukum Ohm adalah dengan konduktansi G (konduktivitas listrik):

Hukum Ohm untuk bagian sirkuit

Penerapan hukum Ohm dalam praktek

Apa itu tegangan, arus, resistansi dan bagaimana penggunaannya dalam praktik