Las leyes más importantes de la electrodinámica en forma concisa y accesible
La importancia de la electrodinámica en el mundo moderno se asocia principalmente con las amplias posibilidades técnicas que abre para la transmisión de energía eléctrica a través de cables de larga distancia, para métodos de distribución y conversión de electricidad en otras formas, — de mecánica, térmica, lumínica, etc.
Generada en plantas de energía, la energía eléctrica se envía a través de millas de líneas eléctricas, a hogares e instalaciones industriales, donde las fuerzas electromagnéticas impulsan los motores de varios equipos, electrodomésticos, iluminación, dispositivos de calefacción y más. En una palabra, es imposible imaginar una economía moderna y ni una sola habitación sin un enchufe en la pared.
Todo esto alguna vez fue posible solo gracias al conocimiento de las leyes de la electrodinámica, que permite conectar la teoría con la aplicación práctica de la electricidad. En este artículo, analizaremos más de cerca cuatro de las leyes más prácticas.
La ley de la inducción electromagnética.
La ley de la inducción electromagnética es la base del funcionamiento de todos los generadores eléctricos instalados en las centrales eléctricas, y no solo. Pero todo comenzó con una corriente apenas perceptible, descubierta en 1831 por Michael Faraday en un experimento con el movimiento de un electroimán en relación con una bobina.
Cuando se le preguntó a Faraday sobre las perspectivas de su descubrimiento, comparó el resultado de su experimento con el nacimiento de un niño que aún no ha crecido. Pronto este recién nacido se convirtió en un verdadero héroe que cambió la faz de todo el mundo civilizado. Ver — Aplicación práctica de la ley de la inducción electromagnética
Un generador en una central hidroeléctrica histórica en Alemania
Generador de planta de energía moderna no es solo una bobina con un imán. Es una estructura enorme que contiene estructuras de acero, muchas bobinas de barras colectoras de cobre aisladas, toneladas de hierro, materiales aislantes, así como una gran cantidad de piezas pequeñas fabricadas con precisión de fracciones de milímetro.
En la naturaleza, por supuesto, no se puede encontrar un dispositivo tan complejo, pero la naturaleza en el experimento mostró al hombre cómo debería funcionar el dispositivo para producir electricidad a través de movimientos mecánicos bajo la influencia de una fuerza externa disponible.
La electricidad generada en la central eléctrica se convierte, distribuye y vuelve a convertir gracias a transformadores de poder, cuyo trabajo también se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, solo que un transformador, a diferencia de un generador, no incluye partes en constante movimiento en su diseño, sino que contiene un circuito magnético con bobinas.
Un devanado de CA (devanado primario) actúa sobre el circuito magnético, el circuito magnético actúa sobre los devanados secundarios (devanados secundarios del transformador). La electricidad de los devanados secundarios del transformador ahora se distribuye a los consumidores. Todo esto funciona gracias al fenómeno de la inducción electromagnética y al conocimiento de la correspondiente ley de la electrodinámica, que lleva el nombre de Faraday.
El significado físico de la ley de la inducción electromagnética es la aparición de un campo eléctrico de remolino cuando el campo magnético cambia con el tiempo, lo que sucede exactamente en un transformador en funcionamiento.
En la práctica, cuando cambia el flujo magnético que penetra en la superficie delimitada por el conductor, se induce una FEM en el conductor, cuyo valor es igual a la tasa de cambio del flujo magnético (F), mientras que el signo de la FEM inducida es opuesta a la tasa del cambio realizado F. Esta relación también se denomina "regla de flujo":
Además de cambiar directamente el flujo magnético que penetra en el bucle, es posible otro método para obtener un EMF en él, - utilizando la fuerza de Lorentz.
La magnitud de la fuerza de Lorentz, como saben, depende de la velocidad de movimiento de la carga en un campo magnético, de la magnitud de la inducción del campo magnético y del ángulo en el que se mueve la carga dada en relación con el vector de inducción. del campo magnético:
La dirección de la fuerza de Lorentz para una carga positiva está determinada por la regla de la "mano izquierda": si coloca la mano izquierda de modo que el vector de inducción magnética entre en la palma, y cuatro dedos extendidos se colocan en la dirección del movimiento de la carga positiva, entonces un pulgar doblado a 90 grados indicará la dirección de la fuerza de Lorentz.
El ejemplo más simple de tal caso se muestra en la figura. Aquí, la fuerza de Lorentz hace que el extremo superior de un conductor (digamos, un trozo de alambre de cobre) que se mueve en un campo magnético se cargue positivamente y su extremo inferior se cargue negativamente, ya que los electrones tienen carga negativa y son ellos los que se mueven aquí. .
Los electrones se moverán hacia abajo hasta que la atracción de Coulomb entre ellos y la carga positiva en el lado opuesto del cable equilibre la fuerza de Lorentz.
Este proceso provoca la aparición de EMF de inducción en el conductor y, como se vio después, está directamente relacionado con la ley de inducción electromagnética. De hecho, la intensidad del campo eléctrico E en el cable se puede encontrar de la siguiente manera (suponga que el cable se mueve en ángulo recto con el vector B):
por lo tanto, la FEM de la inducción se puede expresar de la siguiente manera:
Cabe señalar que en el ejemplo dado, el flujo magnético F en sí mismo (como un objeto) no sufre cambios en el espacio, pero el cable cruza el área donde se encuentra el flujo magnético, y puede calcular fácilmente el área que atraviesa un cable. moviéndose a través de esa región del espacio durante un tiempo dado (es decir, la tasa de cambio del flujo magnético mencionado anteriormente).
En el caso general, tenemos derecho a concluir que, de acuerdo con la «regla del flujo», la FEM en un circuito es igual a la tasa de cambio del flujo magnético a través de ese circuito, tomada con el signo opuesto, independientemente de si el valor de el flujo F cambia directamente debido a un cambio en la inducción del campo magnético con el tiempo en un bucle fijo, ya sea como resultado del desplazamiento (cruce del flujo magnético) o de la deformación del bucle o de ambos.
ley de amperio
Una parte significativa de la energía generada en las centrales eléctricas se envía a las empresas, donde los motores de varias máquinas cortadoras de metales reciben electricidad. El funcionamiento de los motores eléctricos se basa en la comprensión de sus diseñadores. ley de amperio.
Esta ley fue creada por Andre Marie Ampere en 1820 para corrientes continuas (no es casualidad que esta ley también se llame ley de la interacción de las corrientes eléctricas).
De acuerdo con la ley de Ampere, los cables paralelos con corrientes en la misma dirección se atraen y los cables paralelos con corrientes en direcciones opuestas se repelen. Además, la ley de Ampere se refiere a la regla empírica para determinar la fuerza con la que un campo magnético actúa sobre un conductor que transporta corriente en un campo dado.
En forma simple, la ley de Ampere se puede expresar de la siguiente manera: la fuerza (llamada fuerza de Ampere) con la que un campo magnético actúa sobre un elemento de un conductor que lleva corriente en un campo magnético es directamente proporcional a la cantidad de corriente en el conductor. y el producto vectorial del elemento de la longitud del cable a partir del valor de la inducción magnética.
En consecuencia, la expresión para encontrar el módulo de la fuerza de Ampere contiene el seno del ángulo entre el vector de inducción magnética y el vector de corriente en el conductor sobre el que actúa esta fuerza (para determinar la dirección de la fuerza de Ampere, puede usar la regla de la mano izquierda ):
Aplicada a dos conductores que interactúan, la fuerza de Ampere actuará sobre cada uno de ellos en una dirección que depende de las direcciones respectivas de las corrientes en esos conductores.
Suponga que hay dos conductores delgados infinitamente largos en el vacío con corrientes I1 e I2, y la distancia entre los conductores en todas partes es igual a r.Es necesario encontrar la fuerza de amperios que actúa sobre una unidad de longitud del cable (por ejemplo, en el primer cable del lado del segundo).
Según la ley de Bio-Savart-Laplace, a una distancia r de un conductor infinito con corriente I2, el campo magnético tendrá una inducción:
Ahora puede encontrar la fuerza de amperios que actuará sobre el primer cable ubicado en un punto dado en el campo magnético (en un lugar con una inducción dada):
Integrando esta expresión sobre la longitud, y luego sustituyendo una por la longitud, obtenemos el amperio-fuerza que actúa por unidad de longitud del primer cable en el lado del segundo. Una fuerza similar, solo que en la dirección opuesta, actuará sobre el segundo cable desde el lado del primero.
Sin una comprensión de la ley de Ampere, sería simplemente imposible diseñar y ensamblar cualitativamente al menos un motor eléctrico normal.
Principio de funcionamiento y diseño del motor eléctrico.
Tipos de motores eléctricos asíncronos, sus características.
La ley de Joule-Lenz
Toda la energía eléctrica línea de transmisión, hace que estos cables se calienten. Además, se utiliza una cantidad significativa de energía eléctrica según lo previsto para alimentar varios dispositivos de calefacción, para calentar filamentos de tungsteno a altas temperaturas, etc. Los cálculos del efecto de calentamiento de la corriente eléctrica se basan en la ley de Joule-Lenz, descubierta en 1841 por James Joule e independientemente en 1842 por Emil Lenz.
Esta ley cuantifica el efecto térmico de una corriente eléctrica.Se formula de la siguiente manera: "La potencia de calor liberada por unidad de volumen (w) del medio cuando fluye una corriente eléctrica continua en él es proporcional al producto de la densidad de corriente eléctrica (j) por el valor de la intensidad del campo eléctrico (E) «.
Para alambres delgados, se usa la forma integral de la ley: "la cantidad de calor liberado por unidad de tiempo de una sección del circuito es proporcional al producto del cuadrado de la corriente en la sección considerada por la resistencia de la sección. » Se escribe de la siguiente forma:
La ley de Joule-Lenz tiene una importancia práctica particular en la transmisión de energía eléctrica a través de cables de larga distancia.
La conclusión es que el efecto térmico de la corriente en la línea eléctrica es indeseable porque conduce a pérdidas de energía. Y dado que la potencia transmitida depende linealmente tanto del voltaje como de la magnitud de la corriente, mientras que la potencia de calentamiento es proporcional al cuadrado de la corriente, es ventajoso aumentar el voltaje al que se transmite la electricidad, reduciendo la corriente en consecuencia.
Ley de Ohm
La ley básica del circuito eléctrico: Ley de Ohm, descubierta por Georg Ohm en 1826.… La ley determina la relación entre la tensión eléctrica y la corriente en función de la resistencia eléctrica o conductividad (conductividad eléctrica) del cable. En términos modernos, la ley de Ohm para un circuito completo se escribe de la siguiente manera:
r — resistencia interna de la fuente, R — resistencia de carga, e — EMF de la fuente, I — corriente del circuito
De este registro se deduce que la FEM en un circuito cerrado por el que fluye la corriente dada por la fuente será igual a:
Esto significa que para un circuito cerrado, la fem de la fuente es igual a la suma de la caída de voltaje del circuito externo y la resistencia interna de la fuente.
La ley de Ohm se formula de la siguiente manera: «la corriente en una sección del circuito es directamente proporcional a la tensión en sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia eléctrica de esta sección del circuito». Otra notación de la ley de Ohm es por conductancia G (conductividad eléctrica):
Ley de Ohm para una sección de un circuito
Aplicación de la ley de Ohm en la práctica
¿Qué son el voltaje, la corriente, la resistencia y cómo se usan en la práctica?