간결하고 접근 가능한 형태의 전기 역학의 가장 중요한 법칙
현대 세계에서 전기역학의 중요성은 주로 장거리 전선을 통한 전기 에너지 전송, 전기를 다른 형태로 분배 및 변환하는 방법에 대해 열어 놓은 광범위한 기술적 가능성과 관련이 있습니다. 기계, 열, 조명 등
발전소에서 생성된 전기 에너지는 수 마일의 전력선을 통해 가정과 산업 시설로 보내지며 전자기력은 다양한 장비, 가전 제품, 조명, 난방 장치 등의 모터를 구동합니다. 한마디로 벽에 콘센트가 없는 싱글 룸이 아닌 현대 경제를 상상하는 것은 불가능합니다.
이 모든 것은 이론을 전기의 실제 적용과 연결할 수 있는 전기역학 법칙에 대한 지식 덕분에 가능해졌습니다. 이 기사에서는 이러한 법률 중 가장 실용적인 네 가지 법률에 대해 자세히 살펴보겠습니다.
전자기 유도의 법칙
전자기 유도의 법칙은 발전소에 설치된 모든 발전기 작동의 기초입니다. 그러나 이 모든 것은 1831년 Michael Faraday가 코일에 대한 전자석의 움직임에 대한 실험에서 발견한 거의 눈에 띄지 않는 전류로 시작되었습니다.
패러데이는 자신의 발견에 대한 전망에 대해 질문을 받았을 때 자신의 실험 결과를 아직 자라지 않은 아이의 탄생에 비유했습니다. 곧 이 신생아는 문명화된 세계 전체의 얼굴을 바꾼 진정한 영웅이 되었습니다. 보세요 — 전자기 유도 법칙의 실용화
독일의 역사적인 수력 발전소의 발전기
현대 발전소 발전기 자석이 있는 코일이 아닙니다. 강철 구조, 절연된 구리 모선의 많은 코일, 수많은 철, 절연 재료, 밀리미터 단위까지 정밀하게 제조된 많은 수의 작은 부품을 포함하는 거대한 구조물입니다.
물론 자연계에서는 그러한 복잡한 장치를 찾을 수 없지만 실험의 자연은 장치가 외부 힘의 영향을 받아 기계적인 움직임을 통해 전기를 생산하기 위해 어떻게 작동해야 하는지 인간에게 보여주었습니다.
발전소에서 생산된 전기는 변환되어 분배되고 다시 변환됩니다. 전력 변압기, 그의 작업은 전자기 유도 현상을 기반으로하며 발전기와 달리 변압기 만 설계에 지속적으로 움직이는 부품을 포함하지 않고 대신 코일이있는 자기 회로를 포함합니다.
AC 권선(1차 권선)은 자기 회로에 작용하고 자기 회로는 2차 권선(변압기의 2차 권선)에 작용합니다. 변압기의 2차 권선에서 나오는 전기는 이제 소비자에게 분배됩니다. 이 모든 것은 전자기 유도 현상과 패러데이라는 이름을 가진 해당 전기 역학 법칙에 대한 지식 덕분에 작동합니다.
전자기 유도 법칙의 물리적 의미는 시간이 지남에 따라 자기장이 변할 때 와류 전기장의 출현이며, 이는 작동 중인 변압기에서 정확히 발생합니다.
실제로 도체에 둘러싸인 표면을 관통하는 자속이 변하면 도체에 EMF가 유도되는데 그 값은 자속의 변화율(F)과 같고 유도 EMF의 부호는 변경 비율 F와 반대입니다. 이 관계를 "흐름 규칙"이라고도 합니다.
루프를 관통하는 자속을 직접 변경하는 것 외에도 EMF를 얻는 또 다른 방법이 가능합니다. 로렌츠 힘을 이용하여.
아시다시피 로렌츠 힘의 크기는 자기장에서 전하의 이동 속도, 자기장의 유도 크기 및 주어진 전하가 유도 벡터에 대해 이동하는 각도에 따라 달라집니다. 자기장의:
양전하에 대한 Lorentz 힘의 방향은 "왼손"규칙에 의해 결정됩니다. 자기 유도 벡터가 손바닥에 들어가도록 왼손을 배치하고 4 개의 뻗은 손가락을 이동 방향으로 배치하면 양전하, 90도 구부러진 엄지 손가락은 Lorentz 힘의 방향을 나타냅니다.
그러한 경우의 가장 간단한 예가 그림에 나와 있습니다. 여기에서 로렌츠 힘은 자기장에서 움직이는 전도체(예: 구리선 조각)의 상단이 양으로 대전되고 하단이 음으로 대전되도록 합니다. .
전자는 그들 사이의 쿨롱 인력과 와이어 반대쪽의 양전하가 로렌츠 힘과 균형을 이룰 때까지 아래로 이동합니다.
이 과정은 도체에서 EMF 유도의 출현을 일으키며 밝혀진 바와 같이 전자기 유도 법칙과 직접 관련이 있습니다. 실제로 와이어의 전계 강도 E는 다음과 같이 구할 수 있습니다(와이어가 벡터 B에 대해 직각으로 이동한다고 가정).
따라서 유도의 EMF는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
주어진 예에서 자속 F 자체(물체)는 공간에서 변화를 겪지 않지만 와이어는 자속이 있는 영역을 가로지르므로 와이어가 통과하는 영역을 쉽게 계산할 수 있습니다. 주어진 시간(즉, 위에서 언급한 자속의 변화율) 동안 해당 공간 영역을 통해 이동함으로써.
일반적으로 우리는 «플럭스 규칙»에 따라 회로의 EMF가 해당 회로를 통과하는 자기 플럭스의 변화율과 같다고 결론을 내릴 자격이 있습니다. 플럭스 F는 변위(자속 교차) 또는 루프의 변형 또는 둘 다의 결과로 고정 루프에서 시간에 따른 자기장의 유도 변화로 인해 직접 변경됩니다.
암페어의 법칙
발전소에서 생성되는 에너지의 상당 부분은 다양한 금속 절단기의 엔진에 전기가 공급되는 기업으로 보내집니다. 전기 모터의 작동은 설계자의 이해를 기반으로 합니다. 암페어의 법칙.
이 법칙은 1820년 Andre Marie Ampere에 의해 직류에 대해 만들어졌습니다(이 법칙이 전류 상호 작용의 법칙이라고도 불리는 것은 우연이 아닙니다).
앙페르의 법칙에 따르면 같은 방향의 전류를 가진 병렬 도선은 서로 끌어당기고 반대 방향의 전류를 가진 병렬 도선은 서로 밀어낸다. 또한 Ampere의 법칙은 자기장이 주어진 필드에서 전류가 흐르는 도체에 작용하는 힘을 결정하기 위한 경험 법칙을 말합니다.
간단한 형태로 암페어의 법칙은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다. 자기장에서 전류가 흐르는 도체의 요소에 자기장이 작용하는 힘(암페어의 힘이라고 함)은 도체의 전류량에 정비례합니다. 및 자기 유도 값으로부터 와이어 길이 요소의 벡터 곱.
따라서 암페어 힘의 계수를 구하는 식은 자기유도 벡터와 이 힘이 작용하는 도체의 전류 벡터 사이의 각도의 사인을 포함한다(암페어 힘의 방향을 결정하기 위해 왼손법칙을 사용할 수 있다. ):
두 개의 상호 작용하는 전도체에 적용되는 암페어의 힘은 해당 전도체의 전류 방향에 따라 각각의 방향으로 작용합니다.
전류 I1과 I2를 가진 두 개의 무한히 긴 얇은 도체가 진공에 있고 모든 도체 사이의 거리가 r과 같다고 가정합니다.와이어의 단위 길이(예: 두 번째 측면의 첫 번째 와이어)에 작용하는 암페어 힘을 찾아야 합니다.
Bio-Savart-Laplace 법칙에 따르면, 전류 I2의 무한 도체로부터 거리 r에서 자기장은 유도를 갖습니다.
이제 자기장의 주어진 지점(주어진 유도가 있는 장소)에 위치한 첫 번째 와이어에 작용할 암페어 힘을 찾을 수 있습니다.
길이에 대해 이 식을 통합한 다음 길이에 대해 하나를 대체하면 두 번째 쪽에서 첫 번째 와이어의 단위 길이당 작용하는 암페어 힘을 얻습니다. 반대 방향으로 만 유사한 힘이 첫 번째 측면에서 두 번째 와이어에 작용합니다.
Ampere의 법칙을 이해하지 않고는 최소한 하나의 일반 전기 모터를 질적으로 설계하고 조립하는 것이 불가능합니다.
줄-렌츠 법칙
모든 전기 에너지 전송 라인, 이러한 와이어가 가열됩니다. 또한 다양한 가열 장치에 전원을 공급하고 텅스텐 필라멘트를 고온으로 가열하는 등의 목적으로 상당한 전기 에너지가 사용됩니다. 전류의 열 효과 계산은 1841년 James Joule이 발견하고 1842년 Emil Lenz가 독립적으로 발견한 Joule-Lenz 법칙을 기반으로 합니다.
이 법칙은 전류의 열 효과를 정량화합니다."직류 전류가 흐를 때 매질의 단위 부피(w)당 방출되는 열의 힘은 전류 밀도(j)와 전계 강도 값의 곱에 비례합니다. (E) «.
가는 전선의 경우 법칙의 적분 형식이 사용됩니다. » 다음 형식으로 작성됩니다.
줄-렌츠 법칙은 장거리 전선을 통한 전기 에너지 전송에서 특히 실용적으로 중요합니다.
결론은 전력선에 대한 전류의 열 효과는 에너지 손실로 이어지기 때문에 바람직하지 않다는 것입니다. 그리고 전달되는 전력은 전압과 전류의 크기 모두에 선형적으로 의존하고 가열 전력은 전류의 제곱에 비례하므로 전기가 전달되는 전압을 높이고 그에 따라 전류를 줄이는 것이 유리합니다.
옴의 법칙
전기 회로의 기본 법칙 — 1826년 게오르크 옴이 발견한 옴의 법칙.… 법칙은 전선의 전기 저항이나 전도성(전기 전도도)에 따라 전압과 전류의 관계를 결정합니다. 현대 용어로 완전한 회로에 대한 옴의 법칙은 다음과 같이 작성됩니다.
r - 소스 내부 저항, R - 부하 저항, e - 소스 EMF, I - 회로 전류
이 기록에서 소스에 의해 주어진 전류가 흐르는 폐쇄 회로의 EMF는 다음과 같습니다.
이것은 폐쇄 회로의 경우 소스 emf가 외부 회로의 전압 강하와 소스의 내부 저항의 합과 같음을 의미합니다.
옴의 법칙은 다음과 같이 공식화됩니다. «회로 섹션의 전류는 양단의 전압에 정비례하고 회로의 이 섹션의 전기 저항에 반비례합니다.» 옴의 법칙의 또 다른 표기법은 컨덕턴스 G(전기 전도도)입니다.
전압, 전류, 저항은 무엇이며 실제로 어떻게 사용됩니까?