Історія відриттів, які зумовили розвиток електродинаміки
Значимість електродинаміки в сучасному світі пов`язана перш за все з широкими технічними можливостями, які вона відкриває для передачі електричної енергії по проводах на великі відстані, для способів розподілу і перетворення електрики в інші форми, – в механічну, теплову, світлову і т. д.
Генеруюча на електростанціях, електрична енергія відправляється через багато кілометрів по лініях електропередачі – в будинки і на промислові об`єкти, де електромагнітні сили пускають у хід двигуни різного устаткування, побутову техніку, освітлювальні, нагрівальні прилади та інше. Словом, без розетки на стіні неможливо уявити жодне сучасне господарство і жодне приміщення.
Все це стало колись можливим тільки завдяки знанням законів електродинаміки, що дозволяють зв`язати теорію з практичним застосуванням електрики.
Закон електромагнітної індукції
На законі електромагнітної індукції заснована робота всіх електрогенераторів, встановлених на електростанціях і не тільки. Але ж все почалося з ледь помітного струму, виявленого в 1831 році Майклом Фарадеєм в експерименті з переміщенням електромагніту щодо котушки.
Коли Фарадея запитали про перспективи його відкриття, він порівняв результат свого експерименту з народженням дитини, якій ще тільки належало подорослішати. Незабаром цей новонароджений перетворився на справжнього богатиря, змінив зовнішність всього цивілізованого світу.
Сучасний генератор електростанції являє собою не просто котушку з магнітом. Це величезна споруда, що містить сталеві конструкції, безліч котушок з ізольованих один від одного мідних шин, тони заліза, ізоляційні матеріали, а також велика кількість дрібних деталей, виготовлених з точністю до часток міліметра.
У природі такого складного пристрою, звичайно, не зустріти, проте саме природа в експерименті показала людині те, як повинен працювати прилад для виробництва електрики за допомогою механічних переміщень під дією доступною зовнішньої сили.
Згенерована на електростанції електрика перетворюється, розподіляється і знову перетворюється завдяки силових трансформаторів, робота яких теж ґрунтується на явищі електромагнітної індукції, тільки трансформатор, на відміну від генератора, не включає в свою конструкцію постійно рухомих частин, замість цього він містить магнітопровід з котушками.
Одна котушка зі змінним струмом (первинна котушка) діє на магнітопровід, який діє на вторинні котушки (вторинні обмотки трансформатора). Електрика з вторинних обмоток трансформатора вже розподіляється до споживачів. Все це працює завдяки явищу електромагнітної індукції і знання відповідного закону електродинаміки, що носить ім`я Фарадея.
Фізичний сенс закону електромагнітної індукції полягає у виникненні вихрового електричного поля при зміні в часі магнітного поля, що як раз і відбувається в працюючому трансформаторі.
Практично, коли змінюється магнітний потік, який пронизує обмежену провідником поверхню, в провіднику наводиться ЕРС, величина якої дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, при цьому знак ЕРС протилежний швидкості виробленого зміни магнітного потоку. Дане співвідношення називають ще «правилом потоку».
Крім безпосереднього зміни пронизливого контур магнітного потоку, можливий і інший спосіб отримання в ньому ЕРС, – за допомогою сили Лоренца.
Величина сили Лоренца залежить, як відомо, від швидкості руху заряду в магнітному полі, від величини індукції магнітного поля, і від кута, під яким даний заряд рухається щодо вектора індукції магнітного поля.
Напрямок сили Лоренца для позитивного заряду визначається правилом «лівої руки»: якщо розташувати ліву руку так, щоб вектор магнітної індукції входив в долоню, а чотири витягнутих пальці розташувати у напрямку руху позитивного заряду, то відігнутий на 90 градусів великий палець покаже напрям сили Лоренца.
Закон Ампера
Значна частина енергії, що генерується на електростанціях, спрямовується на підприємства, де електрикою живляться двигуни різноманітних верстатів. Дія електродвигунів засноване на розумінні їх проектувальниками закону Ампера.
Даний закон Андре Марі Ампер встановив в 1820 році для постійних струмів (не дарма цей закон називають ще законом взаємодії електричних струмів).
Відповідно до закону Ампера, паралельні провідники зі струмами одного напрямку взаємно притягуються, а паралельні провідники з протилежно спрямованими струмами один одного відштовхують. Крім того, законом Ампера іменується фундаментальне правило визначення сили, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, що знаходиться в даному полі.
У простому вигляді закон Ампера можна сформулювати так: сила (звана силою Ампера), з якої магнітне поле діє на елемент провідника зі струмом, що знаходиться в магнітному полі, прямо пропорційна величині струму в провіднику і векторному добутку елемента довжини провідника на значення магнітної індукції.
Закон Джоуля-Ленца
Вся електрична енергія, що передається по лініях електропередачі, викликає нагрівання даних провідників. Крім того чималі електричні потужності використовуються за призначенням для «годування» різних нагрівальних приладів, для розігріву вольфрамових ниток до високих температур і т. д. Розрахунки теплового дії електричного струму базуються на законі Джоуля-Ленца, відкритому в 1841 році Джеймсом Джоулем і незалежно від нього в 1842 році Емілем Ленцем.
Даний закон дає кількісну оцінку теплового дії електричного струму. Формулюється він так: «Потужність тепла, що виділяється в одиниці об`єму середовища при протіканні в ній постійного електричного струму, пропорційна добутку щільності електричного струму на величину напруженості електричного поля».
Закон Ома
Основний закон електричного кола – Закон Ома, відкритий Георгом Омом в 1826 році. Закон визначає зв`язок між електричною напругою і струмом в залежності від електричного опору або провідності (електропровідності) провідника. І це четвертий важливий закон, який і зумовив розвиток електродинаміки.
