Le più importanti leggi dell'elettrodinamica in forma concisa e accessibile

L'importanza dell'elettrodinamica nel mondo moderno è principalmente associata alle ampie possibilità tecniche che apre per la trasmissione di energia elettrica su cavi a lunga distanza, per i metodi di distribuzione e conversione dell'elettricità in altre forme, — di meccanica, termica, leggera, ecc.

Generata nelle centrali elettriche, l'energia elettrica viene inviata attraverso chilometri di linee elettriche, alle case e agli impianti industriali, dove le forze elettromagnetiche azionano i motori di varie apparecchiature, elettrodomestici, illuminazione, dispositivi di riscaldamento e altro ancora. In una parola, è impossibile immaginare un'economia moderna e non una singola stanza senza una presa di corrente sul muro.

Tutto questo è mai stato possibile solo grazie alla conoscenza delle leggi dell'elettrodinamica, che permette di collegare la teoria con l'applicazione pratica dell'elettricità. In questo articolo, daremo un'occhiata più da vicino a quattro delle più pratiche di queste leggi.

La legge dell'induzione elettromagnetica

La legge dell'induzione elettromagnetica è alla base del funzionamento di tutti i generatori elettrici installati nelle centrali elettriche, e non solo. Ma tutto iniziò con una corrente appena percettibile, scoperta nel 1831 da Michael Faraday in un esperimento con il movimento di un elettromagnete rispetto a una bobina.

Quando a Faraday è stato chiesto delle prospettive della sua scoperta, ha paragonato il risultato del suo esperimento alla nascita di un bambino che deve ancora crescere. Ben presto questo neonato divenne un vero eroe che cambiò il volto dell'intero mondo civilizzato. Applicazione pratica della legge dell'induzione elettromagnetica

Un generatore di una storica centrale idroelettrica in Germania

Generatore moderno della centrale elettrica non è solo una bobina con un magnete. Si tratta di un'enorme struttura che contiene strutture in acciaio, molti rotoli di sbarre di rame coibentate, tonnellate di ferro, materiali isolanti, oltre a un gran numero di minuterie prodotte con precisione fino a frazioni di millimetro.

In natura, ovviamente, non è possibile trovare un dispositivo così complesso, ma la natura nell'esperimento ha mostrato all'uomo come dovrebbe funzionare il dispositivo per produrre elettricità attraverso movimenti meccanici sotto l'influenza di una forza esterna disponibile.

L'elettricità generata nella centrale elettrica viene convertita, distribuita e riconvertita grazie a trasformatori di potenza, il cui lavoro si basa anche sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica, solo un trasformatore, a differenza di un generatore, non include nel suo design parti in costante movimento, ma contiene un circuito magnetico con bobine.

Un avvolgimento AC (avvolgimento primario) agisce sul circuito magnetico, il circuito magnetico agisce sugli avvolgimenti secondari (avvolgimenti secondari del trasformatore). L'elettricità dagli avvolgimenti secondari del trasformatore viene ora distribuita ai consumatori. Tutto questo funziona grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica e alla conoscenza della corrispondente legge dell'elettrodinamica, che porta il nome di Faraday.

Il significato fisico della legge dell'induzione elettromagnetica è la comparsa di un campo elettrico vorticoso quando il campo magnetico cambia nel tempo, cosa che accade esattamente in un trasformatore funzionante.

In pratica, al variare del flusso magnetico che penetra nella superficie delimitata dal conduttore, nel conduttore viene indotta una FEM il cui valore è pari alla velocità di variazione del flusso magnetico (F), mentre il segno della FEM indotta è opposto al tasso del cambiamento effettuato F. Questa relazione è anche chiamata "regola di flusso":

Oltre a modificare direttamente il flusso magnetico che penetra nel circuito, è possibile un altro metodo per ottenere un campo elettromagnetico, — usando la forza di Lorentz.

L'entità della forza di Lorentz, come sapete, dipende dalla velocità di movimento della carica in un campo magnetico, dall'entità dell'induzione del campo magnetico e dall'angolo con cui la carica data si sposta rispetto al vettore di induzione del campo magnetico:

La direzione della forza di Lorentz per una carica positiva è determinata dalla regola della "mano sinistra": se posizioni la mano sinistra in modo che il vettore di induzione magnetica entri nel palmo e quattro dita tese siano posizionate nella direzione del movimento di la carica positiva, quindi un pollice piegato a 90 gradi indicherà la direzione della forza di Lorentz.

L'esempio più semplice di tale caso è mostrato in figura. Qui, la forza di Lorentz fa sì che l'estremità superiore di un conduttore (diciamo, un pezzo di filo di rame) che si muove in un campo magnetico si carichi positivamente e la sua estremità inferiore si carichi negativamente, poiché gli elettroni hanno una carica negativa e sono loro che si muovono qui .

Gli elettroni si sposteranno verso il basso fino a quando l'attrazione di Coulomb tra loro e la carica positiva sul lato opposto del filo bilancia la forza di Lorentz.

Questo processo provoca la comparsa di EMF di induzione nel conduttore e, come si è scoperto, è direttamente correlato alla legge dell'induzione elettromagnetica. Infatti, l'intensità del campo elettrico E nel filo può essere trovata come segue (supponiamo che il filo si muova ad angolo retto rispetto al vettore B):

pertanto, l'EMF dell'induzione può essere espresso come segue:

Si può notare che nell'esempio dato il flusso magnetico F stesso (come oggetto) non subisce cambiamenti nello spazio, ma il filo attraversa l'area in cui si trova il flusso magnetico, e si può facilmente calcolare l'area che un filo attraversa spostandosi attraverso quella regione dello spazio durante un dato tempo (ovvero, il tasso di variazione del flusso magnetico sopra menzionato).

Nel caso generale, siamo autorizzati a concludere che secondo la «regola del flusso» l'EMF in un circuito è uguale alla velocità di variazione del flusso magnetico attraverso quel circuito, preso con il segno opposto, indipendentemente dal fatto che il valore di il flusso F cambia direttamente a causa di una variazione dell'induzione del campo magnetico nel tempo in corrispondenza di una spira fissa o come risultato dello spostamento (attraversamento del flusso magnetico) o della deformazione della spira o di entrambi.

Legge di Ampere

Una parte significativa dell'energia generata nelle centrali elettriche viene inviata alle imprese, dove i motori di varie macchine per il taglio dei metalli vengono alimentati con elettricità. Il funzionamento dei motori elettrici si basa sulla comprensione dei loro progettisti Legge di Ampere.

Questa legge fu creata da Andre Marie Ampere nel 1820 per le correnti continue (non è un caso che questa legge sia chiamata anche legge dell'interazione delle correnti elettriche).

Secondo la legge di Ampere, i fili paralleli con correnti nella stessa direzione si attraggono e i fili paralleli con correnti dirette in modo opposto si respingono. Inoltre, la legge di Ampere si riferisce alla regola empirica per determinare la forza con cui un campo magnetico agisce su un conduttore percorso da corrente in un dato campo.

In una forma semplice, la legge di Ampere può essere enunciata come segue: la forza (chiamata forza di Ampere) con cui un campo magnetico agisce su un elemento di un conduttore percorso da corrente in un campo magnetico è direttamente proporzionale alla quantità di corrente nel conduttore e il prodotto vettoriale dell'elemento della lunghezza del filo dal valore dell'induzione magnetica.

Di conseguenza, l'espressione per trovare il modulo della forza di Ampere contiene il seno dell'angolo tra il vettore di induzione magnetica e il vettore di corrente nel conduttore su cui agisce questa forza (per determinare la direzione della forza di Ampere, puoi usare la regola della mano sinistra ):

Applicata a due conduttori interagenti, la forza di Ampere agirà su ciascuno di essi in una direzione dipendente dalle rispettive direzioni delle correnti in quei conduttori.

Supponiamo che ci siano due conduttori sottili infinitamente lunghi nel vuoto con correnti I1 e I2, e la distanza tra i conduttori ovunque sia uguale a r.Occorre trovare la forza in Ampere che agisce su una lunghezza unitaria del filo (ad esempio sul primo filo dalla parte del secondo).

Secondo la legge Bio-Savart-Laplace, a distanza r da un conduttore infinito con corrente I2, il campo magnetico avrà un'induzione:

Ora puoi trovare la forza Ampere che agirà sul primo filo situato in un dato punto del campo magnetico (in un punto con una data induzione):

Integrando questa espressione sulla lunghezza, e quindi sostituendo la lunghezza con una, si ottiene l'ampere-forza che agisce per unità di lunghezza del primo filo dalla parte del secondo. Una forza simile, solo nella direzione opposta, agirà sul secondo filo dal lato del primo.

Senza una comprensione della legge di Ampere, sarebbe semplicemente impossibile progettare e assemblare qualitativamente almeno un normale motore elettrico.

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La legge di Joule-Lenz

Tutta l'energia elettrica linea di trasmissione, provoca il riscaldamento di questi fili. Inoltre, una quantità significativa di energia elettrica viene utilizzata per alimentare vari dispositivi di riscaldamento, per riscaldare filamenti di tungsteno ad alte temperature, ecc. I calcoli dell'effetto di riscaldamento della corrente elettrica si basano sulla legge Joule-Lenz, scoperta nel 1841 da James Joule e indipendentemente nel 1842 da Emil Lenz.

Questa legge quantifica l'effetto termico di una corrente elettrica.È formulato come segue: "La potenza del calore rilasciato per unità di volume (w) del mezzo quando una corrente elettrica continua scorre in esso è proporzionale al prodotto della densità di corrente elettrica (j) per il valore dell'intensità del campo elettrico (E) «.

Per i fili sottili viene utilizzata la forma integrale della legge: "la quantità di calore rilasciata per unità di tempo da una sezione del circuito è proporzionale al prodotto del quadrato della corrente nella sezione considerata per la resistenza della sezione. » Si scrive nella seguente forma:

La legge Joule-Lenz è di particolare importanza pratica nella trasmissione di energia elettrica su cavi a lunga distanza.

La conclusione è che l'effetto termico della corrente sulla linea elettrica è indesiderabile perché porta a perdite di energia. E poiché la potenza trasmessa dipende linearmente sia dalla tensione che dall'entità della corrente, mentre la potenza di riscaldamento è proporzionale al quadrato della corrente, è vantaggioso aumentare la tensione a cui viene trasmessa l'elettricità, riducendo di conseguenza la corrente.

Legge di Ohm

La legge fondamentale del circuito elettrico - Legge di Ohm, scoperta da Georg Ohm nel 1826.… La legge determina il rapporto tra tensione elettrica e corrente a seconda della resistenza elettrica o della conduttività (conduttività elettrica) del filo. In termini moderni, la legge di Ohm per un circuito completo è scritta come segue:

r - resistenza interna della sorgente, R - resistenza di carico, e - EMF sorgente, I - corrente del circuito

Da questo record ne consegue che l'EMF in un circuito chiuso attraverso il quale scorre la corrente fornita dalla sorgente sarà uguale a:

Ciò significa che per un circuito chiuso, la fem della sorgente è uguale alla somma della caduta di tensione del circuito esterno e della resistenza interna della sorgente.

La legge di Ohm è così formulata: «la corrente in una sezione del circuito è direttamente proporzionale alla tensione ai suoi capi e inversamente proporzionale alla resistenza elettrica di questa sezione del circuito.» Un'altra notazione della legge di Ohm è per conduttanza G (conduttività elettrica):

Legge di Ohm per una sezione di un circuito

Applicazione pratica della legge di Ohm

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