As leis mais importantes da eletrodinâmica de forma concisa e acessível

A importância da eletrodinâmica no mundo moderno está associada principalmente às amplas possibilidades técnicas que ela abre para a transmissão de energia elétrica por fios de longa distância, para métodos de distribuição e conversão de eletricidade em outras formas, — mecânica, térmica, luminosa, etc.

Gerada em usinas de energia, a energia elétrica é enviada por quilômetros de linhas de energia – para residências e instalações industriais, onde forças eletromagnéticas acionam os motores de vários equipamentos, eletrodomésticos, iluminação, dispositivos de aquecimento e muito mais. Em suma, é impossível imaginar uma economia moderna e nem um único cômodo sem tomada na parede.

Tudo isso só se tornou possível graças ao conhecimento das leis da eletrodinâmica, que permite conectar a teoria com a aplicação prática da eletricidade. Neste artigo, examinaremos mais de perto quatro das leis mais práticas.

A lei da indução eletromagnética

A lei da indução eletromagnética é a base do funcionamento de todos os geradores elétricos instalados nas usinas, e não só. Mas tudo começou com uma corrente quase imperceptível, descoberta em 1831 por Michael Faraday em um experimento com o movimento de um eletroímã em relação a uma bobina.

Quando Faraday foi questionado sobre as perspectivas de sua descoberta, ele comparou o resultado de seu experimento com o nascimento de uma criança que ainda não cresceu. Logo este recém-nascido se tornou um verdadeiro herói que mudou a face de todo o mundo civilizado. Veja - Aplicação prática da lei da indução eletromagnética

Um gerador em uma usina hidrelétrica histórica na Alemanha

Gerador de usina moderna não é apenas uma bobina com um ímã. É uma enorme estrutura contendo estruturas de aço, muitas bobinas de barramentos de cobre isolados, toneladas de ferro, materiais isolantes, além de um grande número de pequenas peças fabricadas com precisão de até frações de milímetro.

Na natureza, é claro, um dispositivo tão complexo não pode ser encontrado, mas a natureza no experimento mostrou ao homem como o dispositivo deveria funcionar para produzir eletricidade por meio de movimentos mecânicos sob a influência de uma força externa disponível.

A eletricidade gerada na usina é convertida, distribuída e convertida novamente graças a transformadores de potência, cujo trabalho também se baseia no fenômeno da indução eletromagnética, apenas um transformador, ao contrário de um gerador, não inclui em seu projeto peças em constante movimento, mas contém um circuito magnético com bobinas.

Um enrolamento CA (enrolamento primário) atua no circuito magnético, o circuito magnético atua nos enrolamentos secundários (enrolamentos secundários do transformador). A eletricidade dos enrolamentos secundários do transformador agora é distribuída aos consumidores. Tudo isso funciona graças ao fenômeno da indução eletromagnética e ao conhecimento da lei correspondente da eletrodinâmica, que leva o nome de Faraday.

O significado físico da lei da indução eletromagnética é o aparecimento de um campo elétrico parasita quando o campo magnético muda com o tempo, o que acontece exatamente em um transformador em funcionamento.

Na prática, quando o fluxo magnético que penetra na superfície delimitada pelo condutor muda, uma FEM é induzida no condutor, cujo valor é igual à taxa de variação do fluxo magnético (F), enquanto o sinal da FEM induzida é oposta à taxa de alteração feita F. Essa relação também é chamada de "regra de fluxo":

Além de alterar diretamente o fluxo magnético que penetra no loop, outro método de obtenção de um EMF é possível, - usando a força de Lorentz.

A magnitude da força de Lorentz, como você sabe, depende da velocidade de movimento da carga em um campo magnético, da magnitude da indução do campo magnético e do ângulo em que a carga dada se move em relação ao vetor de indução do campo magnético:

A direção da força de Lorentz para uma carga positiva é determinada pela regra da "mão esquerda": se você posicionar sua mão esquerda de modo que o vetor de indução magnética entre na palma da mão e quatro dedos estendidos sejam colocados na direção do movimento de a carga positiva, então um polegar dobrado em 90 graus indicará a direção da força de Lorentz.

O exemplo mais simples de tal caso é mostrado na figura. Aqui, a força de Lorentz faz com que a extremidade superior de um condutor (digamos, um pedaço de fio de cobre) movendo-se em um campo magnético fique carregada positivamente e sua extremidade inferior carregada negativamente, já que os elétrons têm carga negativa e são eles que se movem aqui .

Os elétrons se moverão para baixo até que a atração de Coulomb entre eles e a carga positiva no lado oposto do fio equilibre a força de Lorentz.

Esse processo causa o aparecimento de EMF de indução no condutor e, como se viu, está diretamente relacionado à lei da indução eletromagnética. De fato, a intensidade do campo elétrico E no fio pode ser encontrada da seguinte forma (assuma que o fio se move em ângulo reto com o vetor B):

portanto, a EMF da indução pode ser expressa da seguinte forma:

Pode-se notar que no exemplo dado o próprio fluxo magnético F (como um objeto) não sofre mudanças no espaço, mas o fio atravessa a área onde o fluxo magnético está localizado, e você pode calcular facilmente a área que um fio atravessa movendo-se por aquela região do espaço durante um determinado tempo (ou seja, a taxa de variação do fluxo magnético mencionado acima).

No caso geral, temos o direito de concluir que, de acordo com a «regra do fluxo», o EMF em um circuito é igual à taxa de variação do fluxo magnético através desse circuito, tomado com o sinal oposto, independentemente de o valor de o fluxo F ​​muda diretamente devido a uma mudança na indução do campo magnético com o tempo em um loop fixo como resultado de deslocamento (cruzando o fluxo magnético) ou deformação do loop ou ambos.

Lei de Ampère

Uma parte significativa da energia gerada nas usinas é enviada para as empresas, onde os motores de várias máquinas de corte de metais são alimentados com eletricidade. A operação de motores elétricos é baseada no entendimento de seus projetistas Lei de Ampère.

Essa lei foi criada por Andre Marie Ampere em 1820 para correntes contínuas (não é por acaso que essa lei também é chamada de lei da interação das correntes elétricas).

De acordo com a lei de Ampere, fios paralelos com correntes na mesma direção se atraem e fios paralelos com correntes em direções opostas se repelem. Além disso, a lei de Ampere refere-se à regra de ouro para determinar a força com a qual um campo magnético atua sobre um condutor de corrente em um determinado campo.

De forma simples, a lei de Ampère pode ser enunciada da seguinte forma: a força (chamada força de Ampère) com a qual um campo magnético atua sobre um elemento de um condutor condutor de corrente em um campo magnético é diretamente proporcional à quantidade de corrente no condutor e o produto vetorial do elemento do comprimento do fio pelo valor da indução magnética.

Consequentemente, a expressão para encontrar o módulo da força de Ampere contém o seno do ângulo entre o vetor de indução magnética e o vetor de corrente no condutor no qual essa força atua (para determinar a direção da força de Ampere, você pode usar a regra da mão esquerda ):

Aplicada a dois condutores em interação, a força de Ampère atuará em cada um deles em uma direção dependente das respectivas direções das correntes nesses condutores.

Suponha que existam dois condutores finos infinitamente longos no vácuo com correntes I1 e I2, e a distância entre os condutores em todos os lugares é igual a r.É necessário encontrar a força Ampere atuando em uma unidade de comprimento do fio (por exemplo, no primeiro fio ao lado do segundo).

De acordo com a lei de Bio-Savart-Laplace, a uma distância r de um condutor infinito com corrente I2, o campo magnético terá uma indução:

Agora você pode encontrar a força Ampère que atuará no primeiro fio localizado em um determinado ponto do campo magnético (em um local com uma determinada indução):

Integrando esta expressão ao longo do comprimento e, em seguida, substituindo o comprimento por um, obtemos a força ampère atuando por unidade de comprimento do primeiro fio no lado do segundo. Uma força semelhante, apenas na direção oposta, atuará no segundo fio do lado do primeiro.

Sem uma compreensão da lei de Ampere, seria simplesmente impossível projetar e montar qualitativamente pelo menos um motor elétrico normal.

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A lei de Joule-Lenz

Toda energia elétrica linha de transmissão, faz com que esses fios aqueçam. Além disso, energia elétrica significativa é usada para alimentar vários dispositivos de aquecimento, para aquecer filamentos de tungstênio a altas temperaturas, etc. Os cálculos do efeito de aquecimento da corrente elétrica são baseados na lei de Joule-Lenz, descoberta em 1841 por James Joule e independentemente em 1842 por Emil Lenz.

Esta lei quantifica o efeito térmico de uma corrente elétrica.É formulado da seguinte forma: "A potência de calor liberada por unidade de volume (w) do meio quando uma corrente elétrica direta flui nele é proporcional ao produto da densidade de corrente elétrica (j) pelo valor da intensidade do campo elétrico (E) «.

Para fios finos, a forma integral da lei é usada: "a quantidade de calor liberada por unidade de tempo de uma seção do circuito é proporcional ao produto do quadrado da corrente na seção considerada pela resistência da seção. » Está escrito da seguinte forma:

A lei de Joule-Lenz é de particular importância prática na transmissão de energia elétrica por fios de longa distância.

A conclusão é que o efeito térmico da corrente na linha de energia é indesejável porque leva a perdas de energia. E como a potência transmitida depende linearmente tanto da tensão quanto da magnitude da corrente, enquanto a potência de aquecimento é proporcional ao quadrado da corrente, é vantajoso aumentar a tensão na qual a eletricidade é transmitida, reduzindo a corrente de acordo.

lei de ohm

A lei básica do circuito elétrico - Lei de Ohm, descoberta por Georg Ohm em 1826.… A lei determina a relação entre tensão e corrente elétrica dependendo da resistência elétrica ou condutividade (condutividade elétrica) do fio. Em termos modernos, a lei de Ohm para um circuito completo é escrita da seguinte forma:

r — resistência interna da fonte, R — resistência da carga, e — fonte EMF, I — corrente do circuito

Deste registro resulta que a FEM em um circuito fechado por onde circula a corrente fornecida pela fonte será igual a:

Isso significa que, para um circuito fechado, a fem da fonte é igual à soma da queda de tensão do circuito externo e da resistência interna da fonte.

A lei de Ohm é formulada da seguinte forma: «a corrente em uma seção do circuito é diretamente proporcional à tensão em suas extremidades e inversamente proporcional à resistência elétrica desta seção do circuito.» Outra notação da lei de Ohm é pela condutância G (condutividade elétrica):

Lei de Ohm para uma seção de um circuito

Aplicação da lei de Ohm na prática

O que são tensão, corrente, resistência e como são usados ​​na prática