Les lois les plus importantes de l'électrodynamique sous une forme concise et accessible
L'importance de l'électrodynamique dans le monde moderne est principalement liée aux vastes possibilités techniques qu'elle ouvre pour la transmission de l'énergie électrique sur de longues distances, pour les méthodes de distribution et de conversion de l'électricité sous d'autres formes, — mécaniques, thermiques, légers, etc.
Générée dans les centrales électriques, l'énergie électrique est envoyée sur des kilomètres de lignes électriques - vers les maisons et les installations industrielles, où les forces électromagnétiques entraînent les moteurs de divers équipements, appareils électroménagers, éclairage, appareils de chauffage, etc. En un mot, il est impossible d'imaginer une économie moderne et pas une seule pièce sans prise murale.
Tout cela n'est jamais devenu possible que grâce à la connaissance des lois de l'électrodynamique, qui permet de relier la théorie à l'application pratique de l'électricité. Dans cet article, nous examinerons de plus près quatre de ces lois les plus pratiques.
La loi de l'induction électromagnétique
La loi de l'induction électromagnétique est à la base du fonctionnement de tous les générateurs électriques installés dans les centrales électriques, et pas seulement. Mais tout a commencé avec un courant à peine perceptible, découvert en 1831 par Michael Faraday lors d'une expérience sur le mouvement d'un électroaimant par rapport à une bobine.
Lorsque Faraday a été interrogé sur les perspectives de sa découverte, il a comparé le résultat de son expérience à la naissance d'un enfant qui n'a pas encore grandi. Bientôt, ce nouveau-né est devenu un véritable héros qui a changé la face de tout le monde civilisé.Voir — Application pratique de la loi de l'induction électromagnétique
Un générateur dans une centrale hydroélectrique historique en Allemagne
Générateur de centrale électrique moderne ce n'est pas juste une bobine avec un aimant. C'est une énorme structure contenant des structures en acier, de nombreuses bobines de barres de cuivre isolées, des tonnes de fer, des matériaux isolants, ainsi qu'un grand nombre de petites pièces fabriquées avec une précision de quelques fractions de millimètre.
Dans la nature, bien sûr, un appareil aussi complexe est introuvable, mais la nature dans l'expérience a montré à l'homme comment l'appareil devrait fonctionner pour produire de l'électricité par des mouvements mécaniques sous l'influence d'une force externe disponible.
L'électricité produite dans la centrale est convertie, distribuée et reconvertie grâce à transformateurs de puissance, dont les travaux sont également basés sur le phénomène d'induction électromagnétique, seul un transformateur, contrairement à un générateur, n'inclut pas de pièces en mouvement constant dans sa conception, mais contient plutôt un circuit magnétique avec des bobines.
Un enroulement alternatif (enroulement primaire) agit sur le circuit magnétique, le circuit magnétique agit sur les enroulements secondaires (enroulements secondaires du transformateur). L'électricité provenant des enroulements secondaires du transformateur est maintenant distribuée aux consommateurs. Tout cela fonctionne grâce au phénomène d'induction électromagnétique et à la connaissance de la loi correspondante de l'électrodynamique, qui porte le nom de Faraday.
La signification physique de la loi de l'induction électromagnétique est l'apparition d'un champ électrique de Foucault lorsque le champ magnétique change avec le temps, ce qui se produit exactement dans un transformateur en fonctionnement.
En pratique, lorsque le flux magnétique pénétrant dans la surface délimitée par le conducteur change, une FEM est induite dans le conducteur, dont la valeur est égale au taux de variation du flux magnétique (F), tandis que le signe de la FEM induite est opposé au taux de changement effectué F. Cette relation est également appelée "règle de flux":
En plus de modifier directement le flux magnétique pénétrant dans la boucle, une autre méthode d'obtention d'une FEM dans celle-ci est possible, - en utilisant la force de Lorentz.
L'amplitude de la force de Lorentz, comme vous le savez, dépend de la vitesse de déplacement de la charge dans un champ magnétique, de l'amplitude de l'induction du champ magnétique et de l'angle auquel la charge donnée se déplace par rapport au vecteur d'induction du champ magnétique :
La direction de la force de Lorentz pour une charge positive est déterminée par la règle de la "main gauche": si vous positionnez votre main gauche de manière à ce que le vecteur d'induction magnétique pénètre dans la paume et que quatre doigts tendus soient placés dans la direction du mouvement de la charge positive, puis un pouce plié à 90 degrés indiquera la direction de la force de Lorentz.
L'exemple le plus simple d'un tel cas est illustré sur la figure. Ici, la force de Lorentz amène l'extrémité supérieure d'un conducteur (par exemple, un morceau de fil de cuivre) se déplaçant dans un champ magnétique à se charger positivement et son extrémité inférieure à se charger négativement, car les électrons ont une charge négative et ce sont eux qui se déplacent ici .
Les électrons descendront jusqu'à ce que l'attraction coulombienne entre eux et la charge positive du côté opposé du fil équilibre la force de Lorentz.
Ce processus provoque l'apparition d'EMF d'induction dans le conducteur et, il s'est avéré, est directement lié à la loi de l'induction électromagnétique. En fait, l'intensité du champ électrique E dans le fil peut être trouvée comme suit (en supposant que le fil se déplace perpendiculairement au vecteur B) :
par conséquent, la FEM de l'induction peut être exprimée comme suit :
On peut noter que dans l'exemple donné, le flux magnétique F lui-même (en tant qu'objet) ne subit pas de changements dans l'espace, mais le fil traverse la zone où se trouve le flux magnétique, et vous pouvez facilement calculer la zone qu'un fil traverse en se déplaçant dans cette région de l'espace pendant un temps donné (c'est-à-dire le taux de variation du flux magnétique mentionné ci-dessus).
Dans le cas général, nous sommes en droit de conclure que selon la «règle du flux», la FEM dans un circuit est égale au taux de variation du flux magnétique à travers ce circuit, pris avec le signe opposé, que la valeur de le flux F change directement en raison d'un changement d'induction du champ magnétique avec le temps au niveau d'une boucle fixe soit en raison d'un déplacement (traversant le flux magnétique) ou d'une déformation de la boucle ou des deux.
Loi d'Ampère
Une partie importante de l'énergie générée dans les centrales électriques est envoyée aux entreprises, où les moteurs de diverses machines à couper les métaux sont alimentés en électricité. Le fonctionnement des moteurs électriques repose sur la compréhension de leurs concepteurs Loi d'Ampère.
Cette loi a été créée par André Marie Ampère en 1820 pour les courants continus (ce n'est pas un hasard si cette loi est aussi appelée loi de l'interaction des courants électriques).
Selon la loi d'Ampère, des fils parallèles avec des courants de même sens s'attirent et des fils parallèles avec des courants de sens opposé se repoussent. De plus, la loi d'Ampère fait référence à la règle empirique pour déterminer la force avec laquelle un champ magnétique agit sur un conducteur porteur de courant dans un champ donné.
Sous une forme simple, la loi d'Ampère peut être énoncée comme suit : la force (appelée force d'Ampère) avec laquelle un champ magnétique agit sur un élément d'un conducteur sous tension dans un champ magnétique est directement proportionnelle à la quantité de courant dans le conducteur et le produit vectoriel de l'élément de la longueur du fil par la valeur de l'induction magnétique.
En conséquence, l'expression pour trouver le module de la force d'Ampère contient le sinus de l'angle entre le vecteur d'induction magnétique et le vecteur de courant dans le conducteur sur lequel agit cette force (pour déterminer la direction de la force d'Ampère, vous pouvez utiliser la règle de la main gauche ):
Appliquée à deux conducteurs en interaction, la force d'Ampère agira sur chacun d'eux dans une direction dépendante des directions respectives des courants dans ces conducteurs.
Supposons qu'il y ait deux conducteurs minces infiniment longs dans le vide avec des courants I1 et I2, et que la distance entre les conducteurs soit partout égale à r.Il faut trouver la force Ampère agissant sur une unité de longueur du fil (par exemple, sur le premier fil du côté du second).
Selon la loi Bio-Savart-Laplace, à une distance r d'un conducteur infini de courant I2, le champ magnétique aura une induction :
Vous pouvez maintenant trouver la force Ampère qui va agir sur le premier fil situé à un point donné du champ magnétique (à un endroit avec une induction donnée) :
En intégrant cette expression sur la longueur, puis en substituant un à la longueur, nous obtenons l'ampère-force agissant par unité de longueur du premier fil du côté du second. Une force similaire, uniquement dans la direction opposée, agira sur le deuxième fil à partir du côté du premier.
Sans une compréhension de la loi d'Ampère, il serait tout simplement impossible de concevoir et d'assembler qualitativement au moins un moteur électrique normal.
Principe de fonctionnement et conception du moteur électrique
Types de moteurs électriques asynchrones, leurs caractéristiques
La loi Joule-Lenz
Toute énergie électrique ligne de transmission, fait chauffer ces fils. De plus, une énergie électrique importante est utilisée comme prévu pour alimenter divers appareils de chauffage, pour chauffer des filaments de tungstène à des températures élevées, etc. Les calculs de l'effet chauffant du courant électrique sont basés sur la loi Joule-Lenz, découverte en 1841 par James Joule et indépendamment en 1842 par Emil Lenz.
Cette loi quantifie l'effet thermique d'un courant électrique.Elle est formulée comme suit : "La puissance de chaleur dégagée par unité de volume (w) du milieu lorsqu'un courant électrique continu y circule est proportionnelle au produit de la densité de courant électrique (j) par la valeur de l'intensité du champ électrique (E) ".
Pour les fils fins, on utilise la forme intégrale de la loi : "la quantité de chaleur dégagée par unité de temps d'une section du circuit est proportionnelle au produit du carré du courant dans la section considérée par la résistance de la section. » Il s'écrit sous la forme suivante :
La loi Joule-Lenz est d'une importance pratique particulière dans la transmission de l'énergie électrique sur des câbles longue distance.
La conclusion est que l'effet thermique du courant sur la ligne électrique est indésirable car il entraîne des pertes d'énergie. Et puisque la puissance transmise dépend linéairement à la fois de la tension et de l'intensité du courant, tandis que la puissance de chauffage est proportionnelle au carré du courant, il est avantageux d'augmenter la tension à laquelle l'électricité est transmise, en réduisant le courant en conséquence.
Loi d'Ohm
La loi fondamentale du circuit électrique — La loi d'Ohm, découverte par Georg Ohm en 1826.… La loi détermine la relation entre la tension électrique et le courant en fonction de la résistance électrique ou de la conductivité (conductivité électrique) du fil. En termes modernes, la loi d'Ohm pour un circuit complet s'écrit comme suit :
r — résistance interne de la source, R — résistance de charge, e — source EMF, I — courant du circuit
De cet enregistrement, il résulte que la FEM dans un circuit fermé traversé par le courant fourni par la source sera égale à :
Cela signifie que pour un circuit fermé, la source emf est égale à la somme de la chute de tension du circuit externe et de la résistance interne de la source.
La loi d'Ohm est formulée comme suit : "le courant dans une section du circuit est directement proportionnel à la tension à ses extrémités et inversement proportionnel à la résistance électrique de cette section du circuit." Une autre notation de la loi d'Ohm est par conductance G (conductivité électrique):
Loi d'Ohm pour une section d'un circuit
Application de la loi d'Ohm dans la pratique
Que sont la tension, le courant, la résistance et comment sont-ils utilisés dans la pratique