Michael Faraday löysi sähkömagneettisen induktion vuonna 1831. Hän havaitsi, että sähkömotorinen voima, joka esiintyy suljetussa johtavassa piirissä, on verrannollinen tämän piirin rajaaman pinnan läpi kulkevan magneettivuon muutosnopeuteen. EMF:n suuruus ei riipu siitä, mikä aiheuttaa vuon muutoksen, itse magneettikentän muutosta tai piirin (tai sen osan) liikkeen magneettikentässä. Tämän EMF:n aiheuttamaa sähkövirtaa kutsutaan induktiovirraksi.

Faradayn laki Faradayn sähkömagneettisen induktion lain mukaan mielivaltaisesti valittua piiriä pitkin vaikuttava sähkömotorinen voima Kaavan miinusmerkki heijastaa venäläisen fyysikon E. Kh. Lenzin mukaan nimettyä Lenzin sääntöä: Suljetussa johdossa esiintyvä induktiovirta piirillä on sellainen suunta, että sen luoma magneettikenttä vastustaa virran aiheuttanutta magneettivuon muutosta.

Magneettivuo Tasaiseen magneettikenttään, jonka induktiovektorin moduuli on yhtä suuri kuin B, sijoitetaan tasainen suljettu ääriviiva alueella S. Normaali n ääriviivan tasoon nähden muodostaa kulman a magneettisen suunnan kanssa induktiovektori B (katso kuvio 1). Magneettivirtaa pinnan läpi kutsutaan arvoksi Ф, joka määräytyy suhteella: Ф = В·S·cos a. Magneettivuon mittayksikkö SI-järjestelmissä on 1 Weber (1 Wb).

Induktion EMF liikkuvassa johtimessa Liikkukoon L-pituinen johtime nopeudella V tasaisessa magneettikentässä ylittäen voimalinjat. Varaukset johtimessa liikkuvat johtimen mukana. Lorentzin voima vaikuttaa magneettikentässä liikkuvaan varaukseen. Vapaat elektronit siirtyvät johtimen toiseen päähän ja kompensoimattomat positiiviset varaukset jäävät toiseen päähän. Syntyy potentiaaliero, joka on induktio emf ei. Sen arvo voidaan määrittää laskemalla Lorentz-voiman työ, kun varaus liikkuu johtimessa: ei = A/q = F L/q. Tämä tarkoittaa, että ei = B·V·L·sin a.

Itseinduktio Itseinduktio on erityinen sähkömagneettisen induktion ilmenemismuoto. Tarkastellaan virtalähteeseen kytkettyä piiriä (kuva 6). Piirin läpi kulkee sähkövirta I, joka muodostaa magneettikentän ympäröivään tilaan. Seurauksena on, että piiri läpäisee oman magneettivuonsa Ф. On selvää, että oma magneettivuo on verrannollinen magneettikentän luoneen piirin virtaan: Ф = L·I. Suhteellisuustekijää L kutsutaan silmukkainduktanssiksi. Induktanssi riippuu johtimen koosta, muodosta ja väliaineen magneettisista ominaisuuksista. Induktanssin SI-yksikkö on 1 Henry (H). Jos virtapiirissä muuttuu, muuttuu myös sisäinen magneettivuo Fs. Fs:n arvon muutos johtaa EMF-induktion ilmestymiseen piiriin. Tätä ilmiötä kutsutaan itseinduktioksi, ja vastaava arvo on itseinduktion EMF eiс. Sähkömagneettisen induktion laista seuraa, että eiс = dФс/dt. Jos L = const, niin eiс= - L·dI/dt.

Muuntaja Muuntaja on staattinen sähkömagneettinen laite, jossa on kaksi (tai useampia) käämiä, jotka useimmiten on suunniteltu muuntamaan yhden jännitteen vaihtovirta toisen jännitteen vaihtovirraksi. Energian muunnos muuntajassa tapahtuu vaihtuvan magneettikentän avulla. Muuntajat ovat laajalti käytössä sähköenergian siirtämisessä pitkiä matkoja, sen jakamiseen vastaanottimien välillä sekä erilaisissa tasasuuntaus-, vahvistus-, merkinanto- ja muissa laitteissa.

Tehomuuntajat Tehomuuntajat muuntavat yhden jännitteen vaihtovirran toisen jännitteen vaihtovirraksi syöttääkseen sähköä kuluttajille. Käyttötarkoituksesta riippuen ne voivat olla nousevia tai laskevia. Jakeluverkoissa käytetään pääsääntöisesti kolmivaiheisia kaksikäämiä alaspäinmuuntajia, jotka muuttavat 6 ja 10 kV jännitteen 0,4 kV jännitteeksi.

Virtamuuntaja Virtamuuntaja on apulaite, jossa toisiovirta on käytännössä verrannollinen ensiövirtaan ja on tarkoitettu mittauslaitteiden ja releiden liittämiseen vaihtovirtapiireihin. Virtamuuntajia käytetään muuttamaan minkä tahansa arvoista ja jännitteistä virtaa virraksi, joka on kätevä mittaamiseen vakioinstrumenteilla (5 A), virtarelekäämityksiin, katkaisulaitteisiin sekä laitteiden ja niiden henkilökunnan eristämiseen suurjännitteestä.

Mittausjännitemuuntajat Mittausjännitemuuntajat ovat välimuuntajia, joiden kautta mittauslaitteet kytketään päälle korkeilla jännitteillä, minkä ansiosta mittauslaitteet on eristetty verkosta, mikä mahdollistaa standardiinstrumenttien käytön (asteikon uudelleenkalibroinnilla) ja siten laajenee. mitattujen jännitteiden rajat. Jännitemuuntajia käytetään sekä jännitteen, tehon, energian mittaamiseen että sähkölinjojen automaatiopiirien syöttämiseen, hälytyksiin ja releen suojaukseen maasulkuilta. Joissakin tapauksissa jännitemuuntajia voidaan käyttää pienitehoisina alastehomuuntajina tai nostotestimuuntajina (sähkölaitteiden eristyksen testaamiseen)

Jännitemuuntajien luokittelu Jännitemuuntajat eroavat toisistaan: a) vaiheiden lukumäärän mukaan, yksivaiheiset ja kolmivaiheiset; b) käämien lukumäärän mukaan kaksikäämitys ja kolmikäämi; c) tarkkuusluokan mukaan eli sallittujen virhearvojen mukaan; d) jäähdytysmenetelmän mukaan muuntajat öljyjäähdytyksellä (öljy), luonnollisella ilmajäähdytyksellä (kuiva ja valuhartsi); e) asennustyypin mukaan sisäasennukseen, ulkoasennukseen ja kokonaisiin kojeistoihin (KRU)

Virtamuuntajien luokittelu Virtamuuntajat luokitellaan eri kriteerien mukaan: 1. Virtamuuntajat voidaan jakaa tarkoituksen mukaan mittaus-, suoja-, välimuuntajiin (mittauslaitteiden sisällyttämiseksi relesuojauksen virtapiireihin, virtojen tasaamiseen differentiaalisuojauspiireissä jne. .) ja laboratorio (korkea tarkkuus sekä monilla muunnossuhteilla). 2. Asennustyypin mukaan erotetaan virtamuuntajat: a) ulkoasennukseen (avoimiin kojeistoihin); b) sisäasennukseen; c) rakennettu sähkölaitteisiin ja -koneisiin: kytkimet, muuntajat, generaattorit jne.; d) rahtikirjat, joita käytetään läpivientieristeen päällä (esimerkiksi tehomuuntajan suurjänniteholkissa); e) kannettavat (kontrollimittauksia ja laboratoriokokeita varten). 3. Ensiökäämin rakenteen mukaan virtamuuntajat jaetaan: a) monikierros (käämi, silmukkakäämitys ja kahdeksan käämi); b) yksikierros (tanko); c) renkaat.

4. Asennustavan mukaan sisä- ja ulkoasennukseen tarkoitetut virtamuuntajat jaetaan: a) läpi; b) tuki. 5. Eristyssuorituskyvyn mukaan virtamuuntajat voidaan jakaa ryhmiin: a) kuivaeristeellä (posliini-, bakeliitti-, valettu epoksieristys jne.); b) paperi-öljyeristyksellä ja lauhdutinpaperi-öljyeristyksellä; c) seostäytteellä. 6. Muunnosportaiden lukumäärän mukaan on olemassa virtamuuntajia: a) yksiportaisia; b) kaksivaiheinen (kaskadi). 7. Käyttöjännitteen mukaan muuntajat erotetaan: a) yli 1000 V:n nimellisjännitteelle; b) nimellisjännitteelle 1000 V asti.

Sähköenergiageneraattorit Sähkövirtaa tuotetaan generaattoreissa - laitteissa, jotka muuttavat jonkinlaista energiaa sähköenergiaksi. Generaattorit sisältävät galvaaniset kennot, sähköstaattiset koneet, lämpöpatterit, aurinkopaneelit jne. Kunkin lueteltujen sähkögeneraattorityyppien laajuus määräytyy niiden ominaisuuksien mukaan. Joten sähköstaattiset koneet luovat suuren potentiaalieron, mutta eivät pysty luomaan merkittävää virtaa piiriin. Galvaaniset kennot voivat antaa suuren virran, mutta niiden toiminnan kesto on lyhyt. Aikamme hallitseva rooli on sähkömekaanisilla induktiogeneraattoreilla. Nämä generaattorit muuttavat mekaanisen energian sähköenergiaksi. Niiden toiminta perustuu sähkömagneettisen induktion ilmiöön. Tällaisilla generaattoreilla on suhteellisen yksinkertainen laite ja ne mahdollistavat suurien virtojen saamisen riittävän korkealla jännitteellä.

Laturi Laturi (laturi) on sähkömekaaninen laite, joka muuntaa mekaanisen energian vaihtovirtasähköenergiaksi. Generaattorit sisältävät galvaaniset kennot, sähköstaattiset koneet, lämpöpatterit, aurinkopaneelit jne. Kunkin lueteltujen sähkögeneraattorityyppien laajuus määräytyy niiden ominaisuuksien mukaan. Joten sähköstaattiset koneet luovat suuren potentiaalieron, mutta eivät pysty luomaan merkittävää virtaa piiriin.

Testi 11-1 (sähkömagneettinen induktio)

Vaihtoehto 1

1. Kuka keksi sähkömagneettisen induktion ilmiön?

A. x. Oersted. B. Sh. Coulomb. V. A. Volta. G. A. Ampère. D. M. Faraday. E . D. Maxwell.

2. Kuparilangan kelan johtimet on kytketty herkkään galvanometriin. Missä seuraavista kokeista galvanometri havaitsee sähkömagneettisen induktion emf:n esiintymisen kelassa?

Kestomagneetti poistetaan kelasta.

Kestomagneetti pyörii pituusakselinsa ympäri kelan sisällä.

A. Vain tapauksessa 1. B. Vain tapauksessa 2. C. Vain tapauksessa 3. D. Tapauksessa 1 ja 2. E. Tapauksessa 1, 2 ja 3.

3. Mikä on fyysisen suuren nimi, joka on yhtä suuri kuin magneettikentän induktion moduulin B ja magneettikentän läpäisemän pinnan alueen S tulo ja kosini
kulma a induktiovektorin B ja normaalin n välillä tähän pintaan?

A. Induktanssi. B. Magneettivuo. B. Magneettinen induktio. D. Itseinduktio. D. Magneettikentän energia.

4. Mikä seuraavista lausekkeista määrittää induktion EMF:n suljetussa piirissä?

A. B. SISÄÄN. G. D.

5. Kun tankomagneetti työnnetään metallirenkaaseen ja siitä ulos, renkaaseen syntyy induktiovirta. Tämä virta luo magneettikentän. Mikä napa on kohti renkaassa olevan virran magneettikenttää: 1) magneetin sisään vedettävään pohjoisnapaan ja 2) magneetin sisäänvedettävään pohjoisnapaan.

6. Mikä on magneettivuon mittayksikön nimi?

7. Minkä fyysisen suuren yksikkö on 1 Henry?

A. Magneettikentän induktio. B. Sähkö. B. Itseinduktio. G. Magneettivuo. D. Induktanssi.

8. Mikä lauseke määrittää piirin läpi kulkevan magneettivuon suhteen induktanssiin L piiri ja virran voimakkuus minä silmukassa?

A. LI . B. . SISÄÄN. LI ‘ . G. LI 2 . D. .

9. Mikä lauseke määrittää itseinduktio-EMF:n ja käämin virran välisen suhteen?

A. B . SISÄÄN . LI . G . . D. LI ‘ .

10. Eri kenttien ominaisuudet on lueteltu alla. Missä niistä on sähköstaattinen kenttä?

Kenttäjohtoja ei ole kytketty sähkövarauksella.

Kentällä on energiaa.

Kentällä ei ole energiaa.

A. 1, 4, 6. B. 1, 3, 5. SISÄÄN. 1, 3, 6. G. 2, 3, 5. D. 2, 3, 6. E. 2, 4, 6.

11. Piiri, jonka pinta-ala on 1000 cm 2, on tasaisessa magneettikentässä, jonka induktio on 0,5 T, vektorin välinen kulma SISÄÄN

A. 250Wb. B. 1000 Wb. SISÄÄN. 0,1 Wb. G. 2,5 · 10-2 Wb. D. 2,5 Wb.

12. Mikä on magneettivuon muodostavan piirin virranvoimakkuus, jonka induktanssi on 5 mH 2· 10 -2 wb?

A. 4 mA. B. 4 A. C. 250 A. G. 250 mA. D. 0,1 A. E. 0,1 mA.

13. Magneettivuo piirin läpi 5 · 10 -2 sekunnin ajan laski tasaisesti 10 mWb:stä 0 mWb:iin. Mikä on piirin EMF-arvo tällä hetkellä?

A. 5 · 10-4 V. B. 0.1 V. V. 0.2 V. G. 0.4 V. D. 1 V. E. 2 V.

14. Mikä on kelan magneettikentän energia, jonka induktanssi on 5 Gn virranvoimakkuudella 400 mA?

A. 2 J. B. 1 J. W. 0.8 J. D. 0.4 J. D. 1000 J. E. 4 10 5 J.

15. Kela, joka sisältää n kierrosta johdinta, on kytketty DC-lähteeseen jännitteellä U uloskäynnissä. Mikä on itseinduktion EMF:n maksimiarvo kelassa, kun sen päissä oleva jännite nousee 0 V:sta arvoon U SISÄÄN?

A , U V, B. nU V.V. U /P U ,

16. Kaksi identtistä lamppua on kytketty DC-lähdepiiriin, ensimmäinen sarjaan vastuksen kanssa, toinen sarjaan kelan kanssa. Missä lampuissa (kuva 1), kun avain K on kiinni, saavuttaako virta maksimiarvonsa myöhemmin kuin toisessa?

A. Ensimmäisessä. B. Toisessa. B. Ensimmäisessä ja toisessa samaan aikaan. D. Ensimmäisessä, jos vastuksen vastus on suurempi kuin kelan vastus. D. Toisessa, jos kelan vastus on suurempi kuin vastuksen vastus.

17. Käämi, jonka induktanssi on 2 H, on kytketty rinnan vastuksen kanssa, jonka sähkövastus on 900 ohmia, kelan virta on 0,5 A, käämin sähkövastus on 100 ohmia. Mikä sähkövaraus virtaa kela- ja vastuspiireissä, kun ne irrotetaan virtalähteestä (kuva 2)?

A. 4000 C. B. 1000 C. V. 250 C. G. 1 10-2 Cl. D. 1,1 10-3 Cl. E. 1 10-3 Cl.

18. Lentokone lentää 900 km/h nopeudella, Maan magneettikentän induktiovektorin pystykomponentin moduuli on 4 10 5 T. Mikä on lentokoneen siipien päiden potentiaaliero, jos siipien kärkiväli on 50 m?

A. 1.8 V. B. 0.9 V. C. 0.5 V. D. 0.25 V.

19. Mikä tulisi olla sähkömoottorin ankkurikäämin virranvoimakkuus, jotta 120 N voima vaikuttaisi 10 cm pituiseen 20 kierrosta kohtisuoraan induktiovektoriin nähden magneettikentässä, jonka induktio on 1,5 T ?

A. 90 A. B. 40 A. C. 0,9 A. D. 0,4 A.

20. Mikä voima on kohdistettava metalliseen hyppyjohtimeen, jotta se liikkuisi tasaisesti nopeudella 8 m/s kahta rinnakkaista johdinta pitkin, jotka sijaitsevat 25 cm:n etäisyydellä toisistaan ​​tasaisessa magneettikentässä, jonka induktio on 2 T? Induktiovektori on kohtisuorassa sitä tasoa vastaan, jossa kiskot sijaitsevat. Johtimet suljetaan vastuksella, jonka sähkövastus on 2 ohmia.

A. 10000 N. B. 400 N. C. 200 N. D. 4 N. D. 2 N. E. 1 N.

Testi 11-1 (sähkömagneettinen induktio)

Vaihtoehto 2

1. Mikä on sähkövirran esiintymisen ilmiö suljetussa piirissä, kun piirin läpi kulkeva magneettivuo muuttuu?

A. Sähköstaattinen induktio. B. Magnetoitumisilmiö. B. Amperen voima. D. Lorentzin voima. D. Elektrolyysi. E. Sähkömagneettinen induktio.

2. Kuparilangan kelan johtimet on kytketty herkkään galvanometriin. Missä seuraavista kokeista galvanometri havaitsee sähkömagneettisen induktion emf:n esiintymisen kelassa?

Kestomagneetti asetetaan kelaan.

Kela asetetaan magneetin päälle.

3) Kela pyörii sijoitetun magneetin ympäri
hänen sisällään.

A. Tapauksissa 1, 2 ja 3. B. Tapauksissa 1 ja 2. C. Vain tapauksessa 1. D. Vain tapauksessa 2. E. Vain tapauksessa 3.

3. Mikä seuraavista lausekkeista määrittää magneettivuon?

A. BScos a. B. . SISÄÄN. qvBsin a. G. qvBI. D. IBlsina .

4. Mitä seuraava väite ilmaisee: Suljetun silmukan induktion EMF on verrannollinen silmukan rajoittaman pinnan läpi kulkevan magneettivuon muutosnopeuteen?

A. Sähkömagneettisen induktion laki. B. Lenzin sääntö. B. Ohmin laki täydelliselle piirille. D. Itseinduktion ilmiö. D. Elektrolyysin laki.

5. Kun tankomagneetti työnnetään metallirenkaaseen ja siitä ulos, renkaaseen syntyy induktiovirta. Tämä virta luo magneettikentän. Mikä napa on renkaassa olevan virran magneettikenttää kohti: 1) magneetin sisäänvedettävään etelänapaan ja 2) magneetin sisäänvedettävään etelänapaan.

A. 1 - pohjoinen, 2 - pohjoinen. B. 1 - eteläinen, 2 - eteläinen.

B. 1 - etelä, 2 - pohjoinen. G. 1 - pohjoinen, 2 - eteläinen.

6. Minkä fyysisen suuren yksikkö on 1 Weber?

A. Magneettikentän induktio. B. Sähkö. B. Itseinduktio. G. Magneettivuo. D. Induktanssi.

7. Mikä on induktanssin mittayksikön nimi?

A. Tesla. B. Weber. W. Gauss. G. Farad. D. Henry.

8. Mikä lauseke määrittää piirin magneettivuon energian ja induktanssin välisen suhteen L piiri ja virran voimakkuus minä silmukassa?

A . . B . . SISÄÄN . LI 2 , G . LI ‘ . D . L.I.

9. Mikä on fysikaalinen määrä X määritellään lausekkeella x= kelaa varten P kääntyy .

A. EMF-induktio. B. Magneettivuo. B. Induktanssi. G. Itseinduktion EMF. D. Magneettikentän energia. E. Magneettinen induktio.

10. Eri kenttien ominaisuudet on lueteltu alla. Mikä niistä on pyörreinduktio-sähkökentässä?

Jännityslinjat on välttämättä kytketty sähkövarauksiin.

Kiristyslinjoja ei ole kytketty sähkövarauksiin.

Kentällä on energiaa.

Kentällä ei ole energiaa.

Voimien työ sähkövarauksen siirtämiseksi suljettua polkua pitkin ei välttämättä ole yhtä suuri kuin nolla.

Voimien työ sähkövarausta liikuttaessa mitä tahansa suljettua polkua pitkin on nolla.

A. 1, 4, 6. B. 1, 3, 5. C. 1, 3, c. D. 2, 3, 5. D. 2, 3, 6. E. 2, 4, 6.

11. Piiri, jonka pinta-ala on 200 cm 2, on tasaisessa magneettikentässä, jonka induktio on 0,5 T, vektorin välinen kulma SISÄÄN induktio ja normaali ääriviivan pintaan nähden on 60°. Mikä on magneettivuo silmukan läpi?

A. 50 Wb. B. 2 10 -2 Wb. B. 5 10 -3 Wb. G. 200 Wb. D. 5 Wb.

12. Virta 4 A luo piiriin magneettivuon 20 mW Mikä on piirin induktanssi?

A. 5 Mr. B. 5 mH. B. 80 Gn. D. 80 mH. D. 0,2 Gn. E. 200 Gn.

13. Magneettivuo piirin läpi laski tasaisesti 10 mWb:stä 0 mWb:iin 0,5 sekunnissa. Mikä on piirin EMF-arvo tällä hetkellä?

A. 5 10 -3 V. B. 5 V. V. 10 V. D. 20 V. D. 0.02 V. E. 0.01 V.

14. Mikä on kelan magneettikentän energian arvo, jonka induktanssi on 500 mH virranvoimakkuudella 4 A?

A. 2 J. B. 1 J. W. 8 J. D. 4 J. D. 1000 J. E. 4000 J.

15. Kela sisältää P langan kierrosta, kytketty tasavirtalähteeseen jännitteellä U uloskäynnissä. Mikä on itseinduktion EMF:n maksimiarvo kelassa, kun sen päissä oleva jännite laskee U V - 0 V?

A. U V. B. nU V.V. U / n V. G. Voi olla monta kertaa enemmän U , riippuu virran muutosnopeudesta ja kelan induktanssista.

16. Kuvassa 1 esitetyssä sähköpiirissä neljä näppäintä 1, 2, 3 Ja 4 suljettu. Mikä neljästä antaa parhaan mahdollisuuden havaita itseinduktioilmiö?

A. 1. B. 2. V. 3. G. 4. D. Mikä tahansa neljästä.

17. Käämi, jonka induktanssi on 2 H, on kytketty rinnan vastuksen kanssa, jonka sähkövastus on 100 ohmia, kelan virta on 0,5 A, käämin sähkövastus on 900 ohmia. Mikä sähkövaraus virtaa kela- ja vastuspiireissä, kun ne irrotetaan virtalähteestä (kuva 2)?

A. 4000 C. B. 1000 C. V. 250 C. G. 1 10-2 Cl. D. 1,1 10-3 Cl. E. 1 10-3 Cl.

18. Lentokone lentää nopeudella 1800 km/h, Maan magneettikentän induktiovektorin pystykomponentin moduuli on 4 10 -5 T. Mikä on lentokoneen siipien päiden potentiaaliero, jos siipien kärkiväli on 25 m?

A. 1,8 V. B. 0,5 V. V. 0,9 V. D. 0,25 V.

19. Neliön muotoinen kehysS Kanssa nykyinenminä sijoitettu magneettinen kenttä induktiollaSISÄÄN . Mikä on kehykseen vaikuttavan voiman momentti, jos vektorin välinen kulmaSISÄÄN ja kehyksen normaali on?

A. IBS synti a. B. IBS. SISÄÄN. IBS cos a. G. minä 2 BS synti a. D. minä 2 BS cos a. .

Vaihtoehto 2

Sähkövirran ilmiöstä tunnetaan useita tyyppejä, jotka vaihtelevat riippuen ainetyypistä, jossa se esiintyy sopivissa olosuhteissa.

Sähkönjohtavuus on aineen kyky johtaa sähkövirtaa.

Kaikki aineet on jaettu kolmeen luokkaan: johteet, puolijohteet ja dielektriset aineet. Johtimet ovat ensimmäisen ja toisen tyyppisiä: ensimmäisen tyypin johtimissa (metallit) virran muodostavat elektronit ja johtavuutta kutsutaan elektroniksi, toisen tyypin johtimissa (suolat, happojen, alkalien liuokset) virta on ionien luoma.

Ilmiötä, jossa vapaat sähkövarauksen kantajat liikkuvat aineessa tai tyhjiössä, kutsutaan johtavuusvirraksi.

Sähkövirran intensiteetti arvioidaan fysikaalisella suurella, jota kutsutaan sähkövirran vahvuudeksi. Johtovirran suuruus määräytyy kaikkien johtimen poikkileikkauksen läpi aikayksikköä kohti kulkevien hiukkasten sähkövarauksella:

Käytännön laskelmissa käytetään sähkövirran tiheyden käsitettä (määritetään numeerisesti virran voimakkuuden suhteella johtimen poikkileikkauspinta-alaan):

;

Kokeet ovat osoittaneet, että sähkövirran intensiteetti on verrannollinen sähkökentän voimakkuuteen ja riippuu johtavan aineen ominaisuuksista. Virran riippuvuutta aineen ominaisuuksista kutsutaan johtavuudeksi ja sen käänteisarvoa resistanssiksi.

;

G – johtavuus;

R= 1\ G - vastustuskyky;

Vastus riippuu lämpötilasta: ;

α on vastuksen lämpötilakerroin.

Puolijohteet ovat väliasemassa johtimien ja eristeiden välissä, niiden molekyylit on yhdistetty kovalenttisilla sidoksilla. Nämä sidokset voidaan tuhota tietyissä olosuhteissa: lisäämme joko elektronien epäpuhtauksia tai positiivisten ionien epäpuhtauksia, ja sitten on mahdollista saada elektroninen tai aukkojohtavuus. Virran tuottamiseksi puolijohteessa on tarpeen soveltaa potentiaalieroa.

Eristeiden sähkönjohtavuus on käytännössä nolla elektronien ja ytimen välisten erittäin vahvojen sidosten vuoksi. Jos eriste sijoitetaan ulkoiseen sähkökenttään, tapahtuu atomien polarisaatiota johtuen positiivisten varausten siirtymisestä yhteen suuntaan ja negatiivisten varausten toiseen suuntaan. Erittäin voimakkaalla ulkoisella sähkökentällä atomit voidaan rikkoa ja tapahtuu läpilyöntivirta.

Johtovirran lisäksi on myös siirtymävirta. Siirtymävirta johtuu sähkökentän voimakkuusvektorin muutoksesta ajan myötä.

Sähkövirta voi kulkea vain suljetussa järjestelmässä.

Aihe 1.2 Yksinkertaiset ja monimutkaiset sähköpiirit

Sähköpiiri on joukko laitteita ja esineitä, jotka takaavat sähkövirran virtauksen lähteestä kuluttajalle..

Sähköpiirin elementti on erillinen esine tai laite. Sähköpiirin pääelementit ovat: sähköenergian lähde, kuluttajat, sähköenergian siirtolaitteet. SISÄÄN sähköenergian lähteet erityyppinen ei-sähköinen energia muuttuu sähköenergiaksi. SISÄÄN kuluttajat sähköenergia muunnetaan lämmöksi, valoksi ja muuksi ei-sähköiseksi energiaksi. Voimajohdot ovat laitteita sähköenergian siirtämiseen lähteistä kuluttajille. Kaikilla sähköpiirien pääelementeillä on sähkövastus ja ne vaikuttavat sähköpiirin virran määrään.

Pääelementtien lisäksi sähköpiirit sisältävät apuelementit: sulakkeet, veitsikytkimet, kytkimet, mittalaitteet ja paljon muuta.

Sähköpiiriä kutsutaan yksinkertainen jos se koostuu yhdestä suljetusta silmukasta. Sähköpiiriä kutsutaan vaikea(haarautunut), jos se koostuu useista suljetuista ääriviivoista.

Lataus liikkeessä. Se voi ilmetä staattisen sähkön äkillisen purkauksen, kuten salaman, muodossa. Tai se voi olla ohjattu prosessi generaattoreissa, akuissa, aurinko- tai polttokennoissa. Tänään tarkastelemme "sähkövirran" käsitettä ja sähkövirran olemassaolon ehtoja.

Sähköenergia

Suurin osa käyttämästämme sähköstä tulee vaihtovirtana sähköverkosta. Sen luovat generaattorit, jotka toimivat Faradayn induktiolain mukaan, minkä vuoksi muuttuva magneettikenttä voi indusoida sähkövirran johtimeen.

Generaattorissa on pyörivät lankakelat, jotka kulkevat magneettikenttien läpi pyöriessään. Käämien pyöriessä ne avautuvat ja sulkeutuvat suhteessa magneettikenttään ja muodostavat sähkövirran, joka muuttaa suuntaa jokaisella kierroksella. Virta kulkee täyden jakson läpi edestakaisin 60 kertaa sekunnissa.

Generaattorit voidaan käyttää höyryturbiineilla, jotka lämmitetään hiilellä, maakaasulla, öljyllä tai ydinreaktorilla. Generaattorista virta kulkee muuntajien sarjan läpi, jossa sen jännite kasvaa. Johtojen halkaisija määrittää virran määrän ja voimakkuuden, jonka ne voivat kuljettaa ilman ylikuumenemista ja energian tuhlaamista, ja jännitettä rajoittaa vain se, kuinka hyvin johdot on eristetty maasta.

On mielenkiintoista huomata, että virta kulkee vain yhdellä johdolla, ei kahdella. Sen kaksi puolta on merkitty positiivisiksi ja negatiivisiksi. Koska vaihtovirran napaisuus kuitenkin muuttuu 60 kertaa sekunnissa, niillä on muita nimiä - kuuma (päävoimajohdot) ja maadoitettu (kulkee maan alle piirin täydentämiseksi).

Miksi sähköä tarvitaan?

Sähköllä on monia käyttötarkoituksia: se voi valaista talosi, pestä ja kuivata vaatteesi, nostaa autotallin ovea, keittää vettä vedenkeittimessä ja antaa virtaa muille kodin tavaroille, jotka helpottavat elämäämme paljon. Virran kyky välittää tietoa on kuitenkin yhä tärkeämpää.

Kun tietokone on yhteydessä Internetiin, se käyttää vain pienen osan sähkövirrasta, mutta tätä ilman nykyihminen ei voi kuvitella elämäänsä.

Sähkövirran käsite

Kuten jokivirta, vesimolekyylien virta, sähkövirta on varautuneiden hiukkasten virta. Mistä se johtuu, ja miksi se ei aina mene samaan suuntaan? Kun kuulet sanan virtaus, mitä ajattelet? Ehkä siitä tulee joki. Se on hyvä yhdistys, koska siitä syystä sähkövirta sai nimensä. Se on hyvin samanlainen kuin veden virtaus, vain sen sijaan, että vesimolekyylit liikkuisivat kanavaa pitkin, varautuneet hiukkaset liikkuvat johdinta pitkin.

Sähkövirran olemassaolon edellytysten joukossa on esine, joka edellyttää elektronien läsnäoloa. Johtavan materiaalin atomeissa on monia näitä vapaita varautuneita hiukkasia, jotka kelluvat atomien ympärillä ja välillä. Niiden liike on satunnaista, joten virtausta ei ole mihinkään tiettyyn suuntaan. Mitä sähkövirran olemassaolo vaatii?

Sähkövirran olemassaolon ehtoihin kuuluu jännitteen olemassaolo. Kun se kohdistetaan johtimeen, kaikki vapaat elektronit liikkuvat samaan suuntaan luoden virran.

Kiinnostaa sähkövirta

Mielenkiintoista on, että kun sähköenergiaa siirretään johtimen läpi valonnopeudella, elektronit itse liikkuvat paljon hitaammin. Itse asiassa, jos kävelisit verkkaisesti johtavan johdon vieressä, nopeudesi olisi 100 kertaa nopeampi kuin elektronit liikkuvat. Tämä johtuu siitä, että niiden ei tarvitse matkustaa valtavia matkoja siirtääkseen energiaa toisilleen.

Tasa- ja vaihtovirta

Nykyään käytetään laajalti kahta erilaista virtaa - suoraa ja vaihtovirtaa. Ensimmäisessä elektronit liikkuvat yhteen suuntaan, "negatiiviselta" puolelta "positiiviselle" puolelle. Vaihtovirta työntää elektroneja edestakaisin ja muuttaa virtauksen suuntaa useita kertoja sekunnissa.

Voimalaitoksissa sähköntuotantoon käytettävät generaattorit on suunniteltu tuottamaan vaihtovirtaa. Et luultavasti ole koskaan huomannut, että talosi valo todella välkkyy virran suunnan muuttuessa, mutta se tapahtuu liian nopeasti, jotta silmät tunnistaisivat.

Mitkä ovat edellytykset tasavirran olemassaololle? Miksi tarvitsemme molempia tyyppejä ja kumpi on parempi? Nämä ovat hyviä kysymyksiä. Se, että käytämme edelleen molempia virtatyyppejä, viittaa siihen, että ne molemmat palvelevat tiettyjä tarkoituksia. Jo 1800-luvulla oli selvää, että tehokas voimansiirto pitkiä matkoja voimalaitoksen ja talon välillä oli mahdollista vain erittäin korkeilla jännitteillä. Mutta ongelma oli, että todella korkean jännitteen lähettäminen oli erittäin vaarallista ihmisille.

Ratkaisu tähän ongelmaan oli vähentää stressiä kodin ulkopuolella ennen sen lähettämistä sisälle. Nykyään tasavirtaa käytetään siirtoon pitkiä matkoja pääasiassa sen kyvyn vuoksi muuntaa helposti muihin jännitteisiin.

Kuinka sähkövirta toimii

Sähkövirran olemassaolon ehtoja ovat varautuneiden hiukkasten, johtimen ja jännitteen läsnäolo. Monet tiedemiehet ovat tutkineet sähköä ja havainneet, että sitä on kahdenlaisia: staattinen ja virta.

Se on toinen, jolla on valtava rooli jokaisen ihmisen jokapäiväisessä elämässä, koska se on sähkövirta, joka kulkee piirin läpi. Käytämme sitä päivittäin kodin sähkönlähteenä ja paljon muuta.

Mikä on sähkövirta?

Kun sähkövaraukset kiertävät piirissä paikasta toiseen, syntyy sähkövirtaa. Sähkövirran olemassaolon ehtoihin kuuluu varautuneiden hiukkasten lisäksi johtimen läsnäolo. Useimmiten se on lanka. Sen piiri on suljettu piiri, jossa virta kulkee virtalähteestä. Kun piiri on auki, hän ei voi suorittaa matkaa loppuun. Esimerkiksi kun huoneesi valo on sammunut, piiri on auki, mutta kun piiri on kiinni, valo palaa.

Nykyinen teho

Sellainen jänniteominaisuus kuin teho vaikuttaa suuresti sähkövirran olemassaolon olosuhteisiin johtimessa. Tämä on mitta siitä, kuinka paljon energiaa käytetään tietyn ajanjakson aikana.

On olemassa monia erilaisia ​​yksiköitä, joita voidaan käyttää ilmaisemaan tätä ominaisuutta. Sähköteho mitataan kuitenkin lähes watteina. Yksi watti vastaa yhtä joulea sekunnissa.

Sähkövaraus liikkeessä

Mitkä ovat sähkövirran olemassaolon ehdot? Se voi ilmetä äkillisenä staattisen sähkön purkauksena, kuten salamana tai kipinänä villakankaan kitkasta. Kuitenkin useammin kun puhumme sähkövirrasta, tarkoitamme kontrolloidumpaa sähkön muotoa, joka saa valot ja laitteet toimimaan. Suurimman osan sähkövarauksesta kuljettavat atomin negatiiviset elektronit ja positiiviset protonit. Jälkimmäiset ovat kuitenkin enimmäkseen immobilisoituneita atomiytimien sisällä, joten elektronit tekevät varauksen siirtämisen paikasta toiseen.

Johtavassa materiaalissa, kuten metallissa, olevat elektronit voivat suurelta osin vapaasti liikkua atomista toiseen johtavuuskaistojaan pitkin, jotka ovat korkeampia elektronien kiertoradat. Riittävä sähkömotorinen voima tai jännite aiheuttaa varausepätasapainon, joka voi saada elektronit liikkumaan johtimen läpi sähkövirran muodossa.

Jos vedämme analogian veden kanssa, ota esimerkiksi putki. Kun avaamme venttiilin toisessa päässä päästämään vettä putkeen, meidän ei tarvitse odottaa, että vesi valuu putken päähän asti. Saamme vettä toisesta päästä melkein välittömästi, koska sisään tuleva vesi työntää jo putkessa olevaa vettä. Näin tapahtuu, kun johdossa on sähkövirta.

Sähkövirta: edellytykset sähkövirran olemassaololle

Sähkövirtaa pidetään yleensä elektronien virtana. Kun akun kaksi päätä on kytketty toisiinsa metallilangalla, tämä ladattu massa kulkee johtimen läpi akun yhdestä päästä (elektrodi tai nava) vastakkaiseen. Kutsutaan siis sähkövirran olemassaolon ehtoja:

1. varautuneita hiukkasia.
2. Kapellimestari.
3. Jännitteen lähde.

Kaikki eivät kuitenkaan ole niin yksinkertaisia. Mitä ehtoja tarvitaan sähkövirran olemassaoloon? Tähän kysymykseen voidaan vastata yksityiskohtaisemmin ottamalla huomioon seuraavat ominaisuudet:

• Potentiaaliero (jännite). Tämä on yksi edellytyksistä. Kahden pisteen välillä on oltava potentiaaliero, mikä tarkoittaa, että varautuneiden hiukkasten yhdessä paikassa synnyttämän hylkimisvoiman on oltava suurempi kuin niiden voiman toisessa pisteessä. Jännitelähteitä ei pääsääntöisesti esiinny luonnossa, ja elektronit jakautuvat ympäristöön melko tasaisesti. Siitä huolimatta tutkijat onnistuivat keksimään tietyntyyppisiä laitteita, joissa nämä ladatut hiukkaset voivat kerääntyä ja luoda siten erittäin tarpeellisen jännitteen (esimerkiksi akuissa).
• Sähkövastus (johdin). Tämä on toinen tärkeä ehto, joka on välttämätön sähkövirran olemassaololle. Tämä on reitti, jota pitkin varautuneet hiukkaset kulkevat. Vain ne materiaalit, jotka mahdollistavat elektronien vapaan liikkumisen, toimivat johtimina. Niitä, joilla ei ole tätä kykyä, kutsutaan eristeiksi. Esimerkiksi metallilanka on erinomainen johdin, kun taas sen kumivaippa on erinomainen eriste.

Tutkittuaan huolellisesti sähkövirran syntymisen ja olemassaolon olosuhteet ihmiset pystyivät kesyttämään tämän voimakkaan ja vaarallisen elementin ja ohjaamaan sen ihmiskunnan hyödyksi.

Ilmiötä, jossa sähkövirta esiintyy suljetussa johtavassa piirissä tämän piirin peittämän magneettivuon muutoksen kanssa, kutsutaan sähkömagneettiseksi induktioksi.

Sen löysivät Joseph Henry (havainnot tehtiin vuonna 1830, tulokset julkaistu 1832) ja Michael Faraday (havainnot ja tulokset julkaistu vuonna 1831).

Faradayn kokeet suoritettiin kahdella kelalla, jotka oli asetettu toisiinsa (ulompi kela on kytketty pysyvästi ampeerimittariin ja sisempi avaimen kautta akkuun). Ulkokäämin induktiovirtaa havaitaan:

A

V

b

Suljettaessa ja avattaessa sisäkäämin piiri, joka on paikallaan ulompaan nähden (kuva a);

Siirrettäessä sisäkäämiä tasavirralla suhteessa ulompaan käämiin (kuva b);

Liikkuessa suhteessa kestomagneetin ulompaan kelaan (kuva c).

Faraday osoitti, että kaikissa tapauksissa, joissa induktiovirta ilmestyy ulkoiseen käämiin, sen läpi kulkeva magneettivuo muuttuu. Kuvassa ulompi kela on kuvattu yhtenä kierroksena. Ensimmäisessä tapauksessa (kuva a), kun piiri on suljettu, virta kulkee sisäkäämin läpi, syntyy (muuttuu) magneettikenttä ja vastaavasti magneettivuo ulkokäämin läpi. Toisessa (kuva b) ja kolmannessa (kuva c) tapauksessa magneettivuo ulkoisen kelan läpi muuttuu, koska prosessi siirtyy etäisyydestä siitä sisäiseen kelaan virralla tai kestomagneettiin .

A

V

b

minä

minä

minä

Vuonna 1834 Emily Khristianovitš Lenz loi kokeellisesti säännön, jonka avulla voidaan määrittää induktiovirran suunta: induktiovirta on aina suunnattu siten, että se vastustaa sen aiheuttavaa syytä; induktiovirralla on aina sellainen suunta, että sen synnyttämän magneettivuon lisäys ja tämän induktiivisen virran aiheuttaneen magneettivuon lisäys ovat etumerkillisesti vastakkaisia. Tätä sääntöä kutsutaan Lenzin säännöksi.

Sähkömagneettisen induktion laki voidaan muotoilla seuraavasti: sähkömagneettisen induktion emf piirissä on yhtä suuri kuin tämän piirin rajaaman pinnan läpi kulkevan magneettivuon muutosnopeus ajan kanssa otettuna miinusmerkillä

Tässä dФ = on magneettisen induktiovektorin ja pinta-alan vektorin skalaaritulo. Vektori , jossa on normaalin yksikkövektori () äärettömän pienelle pinta-alalle, jonka pinta-ala on .

Lausekkeen miinusmerkki liittyy sääntöön, jolla valitaan pintaa rajoittavan ääriviivan normaalin suunta ja sitä pitkin kulkemisen positiivinen suunta. Pinnan läpi kulkevan magneettivuon Ф määritelmän mukaisesti alue S

riippuu ajasta, jos se muuttuu ajan myötä: pinta-ala S;

magneettisen induktiovektorin B moduuli; kulma vektorien ja välillä normaali .

Jos suljettu silmukka (käämi) koostuu kierroksista, niin monimutkaisen silmukan rajoittaman pinnan läpi kulkevaa kokonaisvirtausta kutsutaan vuosidokseksi ja määritellään seuraavasti:

missä Ф i on magneettivuo i-käännöksen läpi. Jos kaikki käännökset ovat samat, niin

jossa F on minkä tahansa kelan läpi kulkeva magneettivuo. Tässä tapauksessa

minä

minä

minä

N kierrosta

1 kierros

2 kierrosta

Lausekkeen avulla voit määrittää induktiovirran suuruuden lisäksi myös suunnan. Jos emf:n arvot ja siten induktiovirran arvot ovat positiivisia, niin virta suunnataan ohituksen positiivista suuntaa pitkin ääriviivaa pitkin, jos negatiivinen, vastakkaiseen suuntaan (suuntaan). positiivinen ohitus määritetään valitsemalla ääriviivan rajoittaman pinnan normaali)