СТРУМ У ЗАМКНЕНОМУ КОНТУРІ Publication in English.
Доброго часу читач. Якщо вважаеш що постулати фізики з часу школи, тобі відомі то пропоную цікавий екскурс в лабіринти освіти.
Закон Ома, той самий закон на якому тремається вся електрика яка свторює наш побутовий комфорт.
Закон Ома — це твердження про пропорційність сили струму [I] в провіднику прикладеній напрузі [U], справедливе для металів і напівпровідників за не надто великих прикладених напругах. Якщо для елемента електричного кола справедливий закон Ома, то цей елемент має лінійну вольт-амперну характеристику.
Більш точно — закон Ома стверджує, що сила струму у провіднику між двома точками (мал. 1 а) прямо пропорційна напрузі на цих двох точках. Вводячи константу пропорційності — опір [R], можна прийти до звичайного математичного рівняння, яке показує цю залежність (Математичне формулювання).
В електротехніці прийнято записувати закон Ома в інтегральному вигляді
U = I R
де U — прикладена напруга, I — сила струму, R — електричний опір провідника.
При аналізі електричних схем три еквівалентні вирази закону Ома використовуються як взаємозамінні:
I = U / R або U = IR або R = U / I
Водночас, закон Ома стверджує, що R у цьому відношенні є постійним і не залежить від струму. Якщо опір не є постійним, попереднє рівняння не можна назвати законом Ома, але його все одно можна використовувати як визначення постійного опору. Закон Ома — це емпіричне співвідношення, яке точно визначає провідність переважної більшості електропровідних матеріалів за багатьох порядків величини струму. Однак деякі матеріали не підкоряються закону Ома; їх називають неомічними.
Отже опір є характеристикою провідника, а не матеріалу, й залежить від довжини та поперечного перерізу провідника. Тому в фізиці застосовують закон Ома у диференціальному вигляді:
j = λ E
де j — густина струму, λ — питома провідність матеріалу, E — напруженість електричного поля.
Закон Ома у електротехниці поділяють на дві позіції: для ділянці кола та для повного кола з джерелом електроживлення. У будь-якого джерела електроживлення існує внутрішній опір. Оскільки він впливає на величини струмів, які протікають по електричних ланцюгів, то і його слід враховувати в розрахунках. Якщо з'сувати як викладають закон Ома для повного кола для школярів та електриків можна побачити, що Повний закон Ома виглядає наступним чином:
I = U/r + R
З цього закону випливає:
U = I * (R + r); R + r = U / I; r = U / (I - R), де
U – Напруга (Вольти); I – струм в електричному ланцюзі (ампери); R – Опір ланцюга з навантаженням (Оми); r – внутрішній опір джерела живлення (Оми).
Але формула закона Ома для повного кола віглядає трохі інакше:
Припустимо, що єдиними джерелами електричного поля E в провідниках, по яких тече струм, є електричні заряди, які збуджують поля за законом Кулона. Під час проходження струму відбувається безперервна втрата зарядів, точніше, нейтралізація позитивної та негативної електрики. Для того, щоб напруженість поля E, а разом з нею і густина електричного струму j, залишалася постійною, необхідні якісь додаткові сили або процеси, які постійно поповнюють електричні заряди.Густина електричного струму, як видно з формули j = λ (F/e), [42.7], визначається повною силою F, що діє на електрон або інший носій заряду. Силу F можна розкласти на дві частини: електричну силу і неелектричну силу, яка включає всі інші сили. Ці інші сили зазвичай називають зовнішніми силами, відповідно до яких ми вважаємо, що E = E + Eext , де Eext - це напруженість поля зовнішніх сил, тобто зовнішня сила, що припадає на одиницю заряду. З урахуванням зовнішніх сил закон Ома записується у вигляді:j = λ (E + E ext ), [43.1].
Сторонні сили [ Eext ] це те що забеспечує електричну напруженність Е (напругу U) у вольтах. Тобто ці рівння повинні мати едине значення струму
λ (E + Eext ) = j = λ E, обо ε / (R + r) = I = U / R
Напевно хтось вже вважає мене диваком, хто сумнівається в постулатах физичних законів. Поперше німецький учений Георг Сімон Ом (1787–1854) у 1826 році експериментально встановив, що сила струму в провіднику прямо пропорційна напрузі на кінцях провідника. Будь-який школяр може довести це на прикладі простої схеми з батарейкою, лампочкою, з'єднувальними проводами та вимірювальними приладами.
Добре, фізика визначає що Електричний струм це — упорядкований, спрямований рух електрично заряджених частинок у речовині чи у вакуумі. Як зазначено в законі Ампера, це стає помітним через магнітне поле і зазвичай призводить до нагрівання провідника (не відбувається у надпровідниках). Струм виникає в електричному колі, щойно між клемами джерела живлення виникає провідне з’єднання. Но той же сторинці вказано, що "Електричний струм тече в напрямку від додатного (позитивного +) полюса джерела постійного струму до від'ємного (негативного -) полюса.
Це твердження відповідає рисунку 1, а. Але стверджується, що ми можемо бачити струм через магнітне поле. У цьому випадку напрямок ліній магнітної індукції дроту зі струмом визначається за правилом гвинта (правила правої руки).
Якщо обхопити правою рукою провідник таким чином, щоб великий палець вказував напрям струму в ньому, то решта пальців вказуватиме напрям вектора магнітної індукції. Таким чином, можна застосовувати це правило на практиці, виконуючи певні завдання на знаходження вектора магнітної індукції та силових ліній у магнітній індукції вектора магнітної індукції.
Ще одно твердження: Електричний струм – це направлений рух електричних зарядів, які приводяться в рух електричним полем або рухаються на протидію електричному полю. Чисельно електричний струм характеризують швидкістю переміщення електричних зарядів.
Тобто любой школяр доведе, за правилом правої руки, що напрямок струму у замкнутому колі від минуса до плюса. Але дія електричного поля (електричної індукції) від більшого потенціалу до меньшего. Відповідно логики електричні заряди це електричне поле, та якщо рух і здійснюється то від + до -.
Електричний заряд — фізична величина, яка характеризує здатність тіл створювати електромагнітні поля та брати участь в електромагнітній взаємодії. Електричний заряд звичайно позначають латинськими літерами q або великою буквою Q. Одиницею вимірювання електричного заряду в системі одиниць SI є кулон. Взаємодію електричних зарядів без врахування їх руху вивчає електростатика, а зарядів, що рухаються — електродинаміка. Рух електричних зарядів називається електричним струмом.
Електричне поле (англ. Electric field) — одна зі складових електромагнітного поля, що існує навколо тіл або частинок, що мають електричний заряд, а також у вільному вигляді при зміні магнітного поля (наприклад, в електромагнітних хвилях). Електричне поле може спостерігатися завдяки силовому впливу на заряджені тіла.
Кількісними характеристиками електричного поля є вектор напруженості електричного поля E, який визначається як сила, що діє на одиничний заряд, та вектор електричної індукції D.
Існує певна плутанина щодо руху електричних зарядів. Тобто, ми розпізнаємо цей рух лише за тим, що навколо провідника існує магнітне поле, а результатом дії електричного поля Е є вектор електричної індукції D.
Наприклад, ми беремо провід довжиною 1 м, вмикаємо його у фазову розетку (фазний з'єднувач), за допомогою приладу знаходимо обрив фази на вільному кінці проводу і визначаємо, що в проводі є напруга. Виникає питання, як рухаються заряди і чому немає струму, який вимірюється тільки в замкненому контурі.
Так заплутано, в таких фундаментальних базових поняттях електродинаміки. Ви згодні зі мною чи ні?
Як можно пояснити що дріт знаходиться під напругою. В мене є тількі одне що по дроту переміщуються силови лінії електричного поля. Дріт є провідником по повхні якого силові линії електричної індукції продовжують свою дію від джерела. Тобто це і є дія ЕРС. В моєму розумінні це логично.
Залишаеться з'ясувати що це за струм такий, що вимірюється в Амперах. Ампер (А) — одиниця вимірювання сили електричного струму в Міжнародній системі одиниць (SI), одна з семи основних одиниць SI (позначається А). Електричний струм вимірюється приладом амперметром.
Амперме́тр (англ. ammeter; нім. Amperemeter n) — прилад, яким вимірюють силу електричного струму. Принцип дії магнітоелектричного приладу базується на створенні обертального моменту завдяки взаємодії між полем постійного магніту і струмом, що проходить крізь обмотку рамки. З рамкою з'єднана стрілка, яка переміщується по шкалі. Кут повороту стрілки пропорційний щодо сили струму.
Амперметр працює завдякі магнитному полю навколо дроту. Висновок сам напрошується що струм це магнітна індукція, але твердження фізики
Сила електричного струму (сила струму або просто струм) — кількісна характеристика електричного струму в провіднику, скалярна величина I =Δq / Δt, що проходить крізь переріз провідника за час Δt, розділеному на цей проміжок часу. За одиницю сили струму беруть таку силу струму, за якої відрізки паралельних провідників довжиною 1 м, що розташовані на відстані 1 м один від одного, взаємодіють із силою 2·10(−7) Н. Силою струму називають ще величину, що визначає швидкість перенесення заряду частинками, які створюють струм, крізь поперечний переріз провідника. Струм — це упорядкований рух заряджених частинок*.
Це не має нічого спільного з магнітною індукцією, за принципом якої вимірюється той самий параметр струму. А твердження (* Струм - це впорядкований рух заряджених частинок) є ще більш асиметричним, оскільки в дії електричної індукції немає ні частинок, ні зарядів. Заряд - це саме електричне поле, яке має лінії індукції, що міттєво рухаються вздовж поверхні дроту, при підключенні дроту до контакту джерела з електричною напруженістю.
Формула залежності сили струму від електричного заряду:
I =Δq / Δt
Якщо ми поглянемо на формулу електромагітної індукції Фарадея в виконні Максвелла:
curl E = -∆B/∆t (E = -∆Ф/∆t )
то напрошується едина версія, що струм I це і є магнітна індукція B, а в колі з під'єднаним джередом електричної напруги відбувається едектромагнітна індукція яка тотожна електромагнітної індукції Фарадея, яку можемо записати у вигляді:
curl B = -∆E/∆t
Тобто вирази [ curl B = -∆E/∆t ] та [ I =Δq / Δt ] є тотожними. З цього моменту стає дуже зрозумила картина дій у замкнутому колі зі струмом. Повертаємось до рівняннь:
λ (E + Eext ) = j = λ E, обо ε / (R + r) = I = U / R
Відповідне рівняння λ(E + Eext) = j = λE, або краще ε / (R + r) = I = U / R, можна прочитати наступним чином: СТРУМ - це перетворена ЕРС, що діє в колі з опором R, при відповідній електричній напруженості U. Якщо значення Eext відповідає ε (Eext = ε), то вплив електричної та магнітної напруженості в колі є досить зрозумілим.
* * *
Оскільки в ланцюзі з джерелом постійного струму (акумулятор) ми не можемо побачити значення Eext = ε, оскільки акумулятор є генератором напруги, його дія полягає саме в генерації Eext = ε для підтримки струму під напругою в замкнутому колі, то в Генератор струму (електромагнітний генератор) цей момент дуже яскравий. Генератор струму відразу створює максимальну ЕРС (Електрична індукція), частина якої перетворюється в струм I (магнітна індукція В). Якщо подивитися на напругу в генераторі з ротором, де використовуються постійні магніти, то значення ЕРС без навантаження буде більше напруги на затискачах генератора під навантаженням. Дослідити це явище можна, вимірявши струм короткого замикання, коли вся ЕРС перетворюється в струм.
Наочний приклад контрольних випробувань модифікованого двигуна змінного струму 1,1 кВт в генераторі з ротором на постійних магнітах. Посилання на відео Валерія Валкі (Україна).
Генератор с асинхронника 1,1 кВт, почти под ключ. (youtube.com)
На слайді є знимки генератора на випробуванні та лист з записаними вимірами напруги з ролика Валерія. Також я з робив таблицю з розрахунком об'єму падіння ЕРС прі включенні навантаження.
Більш детально ви можете прочитати в моїй книзі, де, крім того, я наводжу приклад розрахунку двигуна і генератора постійного струму в режимі Над Єності. Безкоштовне видання електронна книга українською та англійською мовами, ПДФ.
______________________________
Серж Ракарський, УКРАЇНА
Слава Україні! Героям Слава!
Немає коментарів:
Дописати коментар