برق و مغناطیس

برق و مغناطیس
شاخه ای از فیزیک که دانش الکتریسیته ساکن ، جریان های الکتریکی و پدیده های مغناطیسی را پوشش می دهد.
الکترواستاتیک
در الکترواستاتیک ، پدیده های مرتبط با بارهای الکتریکی در حال استراحت در نظر گرفته می شوند. حضور نیروهایی که بین چنین اتهاماتی عمل می کنند در دوران هومر مشخص شده است. کلمه "برق" از الکترونیک یونانی (کهربا) آمده است ، زیرا اولین مشاهدات برق ثبت شده توسط اصطکاک در تاریخ با این ماده مرتبط است. در سال 1733 ، C. Dufay (1639-1798) کشف کرد که دو نوع بار الکتریکی وجود دارد. بارهای یک نوع در هنگام مالش با پارچه پشمی در موم آب بندی ایجاد می شود ، در هنگام مالش با ابریشم بارهای نوع دیگر روی شیشه ایجاد می شود. اتهامات مشابه دفع می کند ، اتهامات مختلف جلب می کند. انواع مختلف شارژ ، اتصال ، خنثی کردن یکدیگر است. در سال 1750 B. Franklin (1706-1790) تئوری پدیده های الكتریكی را بر اساس این فرض كه همه مواد حاوی نوعی "مایع الكتریكی" است ، ایجاد كرد. وی معتقد بود که وقتی دو ماده به یکدیگر می مالند ، بخشی از این مایع الکتریکی از یکی به دیگری منتقل می شود (در حالی که مقدار کل مایع الکتریکی حفظ می شود). مایعات الكتریكی اضافی در بدن از یك نوع شارژ می دهد و كمبود آن به صورت وجود شارژ از نوع دیگر خود را نشان می دهد. فرانکلین تصمیم گرفت وقتی موم را با پارچه پشمی مالید ، پشم مقداری مایع الکتریکی را از او گرفت. بنابراین وی بار موم آب بندی را منفی خواند. نظرات فرانکلین بسیار نزدیک به مفاهیم مدرن است ، بر اساس آن برق رسانی توسط اصطکاک با جریان الکترون از یکی از اجسام مالش دهنده به بدن دیگر توضیح داده می شود. اما از آنجایی که در حقیقت ، الکترون ها از پشم به موم آب بندی جریان می یابند ، در موم آب بندی بیش از حد وجود دارد و کمبود این مایع الکتریکی نیست ، که اکنون با الکترون شناخته شده است. فرانکلین به هیچ وجه نمی توانست تعیین کند که مایع الکتریکی در کدام جهت جریان دارد و انتخاب نادرست او به این دلیل بود که بارهای الکترون "منفی" بود. اگرچه این نشانه از بار باعث ایجاد برخی از سردرگمی ها در میان افرادی می شود که شروع به مطالعه موضوع می کنند ، این کنوانسیون بسیار ریشه ای در ادبیات دارد که نمی تواند در مورد تغییر در نشانه بار در الکترون صحبت کند پس از اینکه خواص آن قبلاً بررسی شد. با کمک تعادل پیچشی ، توسعه یافته توسط G. Cavendish (1810-1731) ، در سال 1785 C. Coulomb (1736-1806) نشان داد که نیرویی که بین دو بار الکتریکی نقطه ای کار می کند متناسب با حاصلضرب مقادیر این اتهامات و معکوس با مربع فاصله بین آنها متناسب است ، یعنی:

جایی که F نیرویی است که بار q با آن بار همان علامت qў را دفع می کند و r فاصله بین آنها است. اگر علائم بارها مخالف باشد ، نیروی F منفی است و بارها دفع نمی شوند ، بلکه یکدیگر را جذب می کنند. نسبت تصویر K به واحدهایی که F ، r ، q و q در آنها اندازه گیری می شود بستگی دارد. "
در ابتدا ، واحد اندازه گیری بار وجود نداشت ، اما قانون کولنب معرفی چنین واحدی را ممکن می کند. این واحد اندازه گیری بار الکتریکی "کولن" و نام اختصاری Cl نامگذاری شد. یک آویز (1 درجه سانتیگراد) شارژی است که پس از حذف 6242 * 1018 الکترون از آن ، بر روی بدنه اولیه خنثی باقی می ماند. اگر در فرمول (1) اتهامات q و q "در كولب بیان شود ، F - در نیوتن و r - در متر ، سپس K" 8.9876 * 10 9 H * m2 / Cl2 ، حدود 9 * 10 9 N * m2 / Cl2. معمولاً به جای K ، از ثابت e0 = 1 / 4pK استفاده می شود. اگرچه این بیان در مورد قانون کولن کمی پیچیده تر است ، اما به شما امکان می دهد بدون فاکتور 4p در فرمول های دیگر که بیشتر در قانون کولنب اعمال می شوند ، عمل کنید.
دستگاه های الکترواستاتیک و بانک لیدن.ماشینی برای تولید یک بار ثابت ساکن زیاد توسط اصطکاک در حدود سال 1660 توسط O. Gericke (1602-1686) ، که آن را در کتاب خود آزمایشات جدید در فضای خالی (De vacuo spatio، 1672) توصیف کرد ، اختراع شد. به زودی ، انواع دیگری از چنین دستگاهی ظاهر شد. در سال 1745 E. Kleist از کامین و به طور مستقل از او ، P. Muschenbroek از لیدن کشف کرد که از یک ظرف شیشه ای پوشانده شده با مواد رسانا از داخل و خارج می توان برای تجمع و ذخیره بار الکتریکی استفاده کرد. شیشه های شیشه ای که از داخل و خارج با ورق قلع اندود شده اند - به اصطلاح شیشه های لیدن - اولین خازن های الکتریکی هستند. فرانکلین نشان داد که هنگام شارژ شیشه لیدن ، پوشش بیرونی ورق فویل قلع (صفحه بیرونی) یک بار شارژ پیدا می کند و صفحه داخلی یک بار برابر با علامت مخالف بدست می آورد. اگر هر دو صفحه شارژ شده توسط یک رسانا در تماس یا متصل شوند ، بارها کاملاً از بین می روند ، که نشان دهنده خنثی سازی متقابل آنها است. از این رو نتیجه می شود که بارها آزادانه بر روی فلز حرکت می کنند ، اما نمی توانند بر روی شیشه حرکت کنند. موادی مانند فلزات که بارها از طریق آنها آزادانه حرکت می کنند ، رسانا نامیده می شوند ، و موادی مانند شیشه ، که بار از طریق آنها عبور نمی کند ، عایق (دی الکتریک) نامیده می شوند.
دی الکتریک.دی الکتریک ایده آل ماده ای است که بارهای الکتریکی داخلی آن چنان محکم بسته شده باشد که قادر به هدایت جریان الکتریکی نباشد. بنابراین ، می تواند به عنوان یک عایق خوب عمل کند. گرچه دی الکتریک های ایده آل در طبیعت وجود ندارند ، اما هدایت بسیاری از مواد عایق در دمای اتاق از 10-23 مس بیشتر نیست. در بسیاری از موارد ، این رسانایی را می توان صفر در نظر گرفت.
هادی هاساختار بلوری و توزیع الکترون ها در هادی های جامد و دی الکتریک ها به یکدیگر شبیه هستند. تفاوت اصلی این است که در یک دی الکتریک ، تمام الکترونها به طور محکم به هسته های مربوطه متصل هستند ، در حالی که در یک رسانا الکترونهایی در پوسته خارجی اتمها وجود دارند که می توانند آزادانه در اطراف بلور حرکت کنند. به این الکترونها الکترون آزاد یا الکترون رسانایی گفته می شود ، زیرا حامل بار الکتریکی هستند. تعداد الکترونهای رسانایی به ازای هر اتم فلز به ساختار الکترونی اتمها و درجه آشفتگی پوسته های الکترونی خارجی اتم توسط همسایگان آن در شبکه بلوری بستگی دارد. در عناصر گروه اول عناصر جدول تناوبی (لیتیوم ، سدیم ، پتاسیم ، مس ، روبیدیوم ، نقره ، سزیم و طلا) ، پوسته های الکترونی داخلی کاملاً پر شده و یک الکترون منفرد در پوسته خارجی وجود دارد. این آزمایش تأیید کرد که در این فلزات تعداد الکترونهای رسانشی در هر اتم در هر اتم تقریباً برابر با واحد است. با این حال ، برای بیشتر فلزات گروه های دیگر ، به طور متوسط ​​، مقادیر کسری تعداد الکترون های رسانشی در هر اتم مشخص است. به عنوان مثال ، عناصر انتقالی - نیکل ، کبالت ، پالادیوم ، رنیوم و اکثر آلیاژهای آنها - حدود 6/0 الکترون هدایت در هر اتم دارند. تعداد حاملهای فعلی در نیمه رساناها بسیار کمتر است. به عنوان مثال ، در ژرمانیم در دمای اتاق حدود 10-9 است. تعداد بسیار کم حامل ها در نیمه هادی ها منجر به ظهور بسیاری از خصوصیات جالب در آنها می شود.
به فیزیک بدن سفت و سخت مراجعه کنید.
دستگاه های الکترونیکی نیمه هادی؛
ترانزیستور ارتعاشات حرارتی شبکه کریستالی در فلز حرکت ثابت الکترونهای رسانایی را حفظ می کند ، سرعت آن در دمای اتاق به 106 متر در ثانیه می رسد. از آنجا که این حرکت آشفته است ، جریان الکتریکی ایجاد نمی کند. هنگامی که یک میدان الکتریکی اعمال می شود ، یک رانش عمومی کوچک ظاهر می شود. این رانش الکترونهای آزاد در یک رسانا یک جریان الکتریکی است. از آنجا که الکترونها بار منفی دارند ، جهت جریان مخالف جهت رانش آنها است.
اختلاف پتانسیل.برای توصیف خصوصیات خازن ، معرفی مفهوم اختلاف پتانسیل ضروری است. اگر بار مثبت در یک صفحه خازن وجود دارد ، و از طرف دیگر - بار منفی با همان اندازه ، سپس برای انتقال بخشی اضافی از بار مثبت از صفحه منفی به مثبت ، لازم است انجام شود علیه نیروهای جذب از طرف بارهای منفی و دافعه بارهای مثبت کار کنید. اختلاف پتانسیل بین صفحات به عنوان نسبت کار انتقال بار آزمایش به مقدار این بار تعریف می شود. در این حالت ، فرض بر این است که شارژ آزمایش به طور قابل توجهی کمتر از شارژ موجود در ابتدا بر روی هر یک از صفحات است. با کمی اصلاح متن ، می توانید تعریفی از اختلاف پتانسیل هر دو نقطه را که می تواند در هر نقطه باشد ، ارائه دهید: روی سیم با جریان ، روی صفحات مختلف خازن یا فقط در فضا. این تعریف به شرح زیر است: اختلاف پتانسیل بین دو نقطه در فضا برابر است با نسبت کار صرف شده برای انتقال بار آزمایش از یک نقطه با پتانسیل کمتر به یک نقطه با پتانسیل بالاتر ، به مقدار بار آزمایش . مجدداً فرض بر این است که شارژ آزمایش به اندازه کافی کوچک است و باعث ایجاد اختلال در توزیع بارهایی که اختلاف پتانسیل اندازه گیری شده را ایجاد می کنند ، نمی شود. اختلاف پتانسیل V در ولت (V) اندازه گیری می شود ، به شرطی که کار W به ژول (J) و بار آزمایش q - در کولن (C) بیان شود.
ظرفیت.ظرفیت خازن برابر است با نسبت مقدار مطلق بار در هر یک از دو صفحه آن (یادآوری می شود که بارهای آنها فقط در علامت متفاوت است) به اختلاف پتانسیل بین صفحات:

ظرفیت خازنی C در صورت فاراد (F) اندازه گیری می شود اگر بار Q در كولب ها (C) بیان شود و اختلاف پتانسیل آن در ولت (V) باشد. دو واحد اندازه گیری که قبلاً ذکر شد ، ولت و فاراد ، به نام دانشمندان A. Volta و M. Faraday نامگذاری شده اند. فاراد چنان واحد بزرگی است که ظرفیت اکثر خازن ها را با میکرو فاراد (10 -6 F) یا پیکو فاراد (10 -12 F) بیان می کنند.
میدان الکتریکی.در نزدیکی بارهای الکتریکی ، یک میدان الکتریکی وجود دارد که مقدار آن در یک نقطه مشخص در فضا برابر است ، با توجه به نسبت نیروی وارد بر یک بار آزمایش نقطه ای که در این نقطه قرار گرفته است به مقدار بار آزمایش ، دوباره مشروط بر اینکه شارژ آزمون به اندازه کافی کم باشد و توزیع هزینه های ایجاد شده را تغییر ندهد. بر اساس این تعریف ، نیروی F که بر بار q تأثیر می گذارد و قدرت میدان الکتریکی E با این رابطه مرتبط هستند

فارادی مفهوم خطوط نیروی میدان الکتریکی را معرفی کرد که از بارهای مثبت شروع می شود و با بارهای منفی پایان می یابد. در این حالت ، چگالی (چگالی) خطوط نیرو متناسب با مقاومت میدان است و جهت میدان در یک نقطه معین با جهت مماس به خط نیرو همزمان می شود. بعدا K. Gauss (1777-1855) اعتبار این حدس را تأیید کرد. بر اساس قانون مربع معکوس که توسط کولنب (1) وضع شد ، وی از نظر ریاضیات دقیق نشان داد که خطوط نیرو ، اگر مطابق با ایده های فارادی ساخته شود ، در همه جا در فضای خالی مداوم است ، از بارهای مثبت شروع می شود و در موارد منفی خاتمه می یابد. این تعمیم را قضیه گاوس می نامند. اگر تعداد کل خطوط نیروی برآمده از هر بار Q برابر با Q / e0 باشد ، تراکم خطوط در هر نقطه (به عنوان مثال ، نسبت تعداد خطوط عبور از یک منطقه خیالی با اندازه کوچک ، قرار داده شده در این نقطه عمود بر آنها ، به مساحت این منطقه) برابر است با مقدار قدرت میدان الکتریکی در این نقطه ، یا در N / Cl ، یا در V / m بیان می شود. ساده ترین خازن از دو صفحه رسانای موازی واقع شده در نزدیکی یکدیگر ساخته شده است. هنگام شارژ خازن ، صفحات همان بارگیری را دارند ، اما برعکس از نظر نشانه ، به طور مساوی بر روی هر یک از صفحات توزیع می شوند ، به استثنای لبه ها. براساس قضیه گاوس ، قدرت میدان بین چنین صفحاتی ثابت و برابر با E = Q / e0A است ، جایی که Q بار یک صفحه با بار مثبت است و A مساحت صفحه است. با توجه به تعریف اختلاف پتانسیل ، ما V = Ed داریم ، جایی که d فاصله بین صفحات است. بنابراین ، V = Qd / e0A ، و ظرفیت چنین خازنی هواپیما موازی است:

جایی که C در farads و A و d به ترتیب در m2 و m بیان می شوند.
D.C
در سال 1780 ال گالوانی (1798-1737) متوجه شد که شارژ ناشی از دستگاه الکترواستاتیک به پای یک قورباغه مرده باعث تکان خوردن شدید پا می شود. علاوه بر این ، پاهای قورباغه که بالای صفحه آهنی روی سیم برنجی قرار داده شده در نخاع آن ثابت شده بود ، هر زمان که صفحه را لمس می کرد ، می لرزید. گالوانی این موضوع را به درستی با این واقعیت توضیح داد كه بارهای الكتریكی در اثر عبور از رشته های عصبی باعث انقباض عضلات قورباغه می شوند. این حرکت بارها جریان گالوانیک نامیده می شد. پس از آزمایش های انجام شده توسط گالوانی ، ولتا (1745-1827) ستون به اصطلاح ولتائیك را ابداع كرد - یك باتری گالوانیك از چندین سلول الكتروشیمیایی كه به طور سری متصل هستند. باتری آن متشکل از دایره های متناوب مس و روی بود که توسط کاغذ مرطوب از هم جدا شده بودند و مشاهده همان پدیده های دستگاه الکترواستاتیک را امکان پذیر می کرد. با تکرار آزمایشات ولتا ، نیکلسون و کارلایل در سال 1800 کشف کردند که با استفاده از جریان الکتریکی می توان مس را از محلول سولفات مس به هادی مس استفاده کرد. W. Wollaston (1828-1766) با استفاده از دستگاه الکترواستاتیک همین نتایج را بدست آورد. فارادی (1867-1791) در سال 1833 نشان داد که جرم عنصری که با الکترولیز بدست آمده و با مقدار مشخصی بار تولید می شود ، متناسب با جرم اتمی آن است که بر حسب ظرفیت تقسیم می شود. این ماده اکنون قانون فارادی برای الکترولیز نامیده می شود. از آنجا که جریان الکتریکی انتقال بارهای الکتریکی است ، طبیعی است که واحد قدرت جریان را به عنوان بار در کولبرها تعریف کنیم که هر ثانیه از یک منطقه مشخص عبور می کند. قدرت فعلی 1 C / s به افتخار A. Ampere (1875-1775) ، که بسیاری از اثرات مهم مرتبط با عملکرد یک جریان الکتریکی را کشف کرد ، آمپر نامیده شد. قانون اهم ، مقاومت و مقاومت. در سال 1826 ، G. Ohm (1787-1854) کشف جدیدی را گزارش داد: جریان در یک هادی فلزی ، هنگامی که هر بخش اضافی از یک ستون ولت وارد مدار می شود ، به همان مقدار افزایش می یابد. این در قالب قانون اهم خلاصه شده است. از آنجا که اختلاف پتانسیل ایجاد شده توسط یک ستون ولتایی متناسب با تعداد مقاطع موجود است ، این قانون بیان می کند که اختلاف پتانسیل V بین دو نقطه از هادی تقسیم بر جریان I در هادی ثابت است و به V یا I بستگی ندارد . نسبت

مقاومت هادی بین دو نقطه نامیده می شود. اگر اختلاف پتانسیل V در ولت بیان شود و جریان I در آمپر باشد مقاومت در اهم (اهم) اندازه گیری می شود. مقاومت هادی فلزی متناسب با طول آن l و متناسب عکس با مساحت A مقطع آن است. تا زمانی که دمای آن ثابت باشد ثابت می ماند. معمولاً این مفاد با فرمول بیان می شوند

مقاومت r (OhmChm) در کجا بستگی به ماده هادی و درجه حرارت آن دارد. ضریب دما مقاومت به عنوان تغییر نسبی مقدار r با تغییر دما به میزان یک درجه تعریف می شود. جدول مقادیر مقاومت و ضریب مقاومت دمای برخی از مواد معمول ، اندازه گیری شده در دمای اتاق را نشان می دهد. مقاومت فلزات خالص عموماً کمتر از آلیاژها است و ضرایب دما نیز بیشتر است. مقاومت دی الکتریک ها ، به ویژه گوگرد و میکا ، بسیار بیشتر از فلزات است. این ضریب به 1023 می رسد. ضرایب دمایی الکتریک ها و نیمه هادی ها منفی هستند و مقادیر نسبتاً زیادی دارند.
اثر حرارتی جریان الکتریکی.اثر حرارتی جریان الکتریکی اولین بار در سال 1801 مشاهده شد ، زمانی که جریان موفق به ذوب فلزات مختلف شد. اولین کاربرد صنعتی این پدیده به سال 1808 برمی گردد ، زمانی که یک جرقه زنی باروت برقی پیشنهاد شد. اولین قوس کربنی که برای گرمایش و روشنایی طراحی شده بود ، در سال 1802 در پاریس به نمایش درآمد. الکترودهای ذغالی به قطب های یک ستون ولتایی 120 سلول متصل شدند ، و هنگامی که هر دو الکترود کربن در تماس قرار گرفتند و سپس جدا شدند ، یک "تخلیه گازدار" وجود داشت از روشنایی استثنایی ". با بررسی اثر حرارتی جریان الکتریکی ، جی ژول (1818-1189) آزمایشی را انجام داد که پایه محکمی برای قانون صرفه جویی در انرژی ایجاد کرد. ژول برای اولین بار نشان داد که انرژی شیمیایی که برای حفظ جریان در یک رسانا صرف می شود تقریباً برابر با مقدار گرما است که با عبور جریان در هادی آزاد می شود. وی همچنین دریافت که گرمای آزاد شده در رسانا متناسب با مربع جریان است. این مشاهده هم با قانون اهم (V = IR) و هم با تعیین اختلاف پتانسیل (V = W / q) مطابقت دارد. در مورد یک جریان ثابت ، یک بار q = در زمان t از هادی عبور می کند. بنابراین ، انرژی الکتریکی که در هادی به گرما تبدیل می شود برابر است با:

این انرژی را گرمای ژول می نامند و اگر جریان I در آمپر ، R در اهم و t در ثانیه باشد ، با ژول (J) بیان می شود. منابع انرژی الکتریکی برای مدارهای جریان مستقیم. هنگامی که جریان الکتریکی مستقیم از مدار عبور می کند ، یک تغییر ثابت به همان اندازه ثابت انرژی الکتریکی به گرما اتفاق می افتد. برای حفظ جریان ، لازم است که در بعضی از قسمتهای مدار انرژی الکتریکی تولید شود. یک ستون ولتایی و سایر منابع جریان شیمیایی انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. در بخشهای بعدی به سایر دستگاههای تولید کننده انرژی الکتریکی پرداخته شده است. همه آنها مانند "پمپ" های الکتریکی عمل می کنند که بارهای الکتریکی را در برابر نیروهای تولید شده توسط یک میدان الکتریکی ثابت حرکت می دهند. یک پارامتر مهم از منبع جریان ، نیروی الکتروموتور (EMF) است. EMF یک منبع جریان به عنوان اختلاف پتانسیل موجود در پایانه های آن در غیاب جریان (با یک مدار خارجی باز) تعریف می شود و در ولت اندازه گیری می شود.
برق حرارتیدر سال 1822 ، T. Seebeck کشف کرد که در یک مدار متشکل از دو فلز مختلف ، اگر یک نقطه از اتصال آنها گرمتر از نقطه دیگر باشد ، جریان ایجاد می شود. به چنین مداری ترموکوپل گفته می شود. در سال 1834 ، J. Peltier ثابت کرد که وقتی جریانی از یک اتصال دو فلز در یک جهت عبور می کند ، گرما جذب می شود و در جهت دیگر ، آزاد می شود. میزان این اثر برگشت پذیر به مواد محل اتصال و دمای محل اتصال بستگی دارد. هر محل اتصال حرارتی دارای یک EMF ej = Wj / q است ، جایی که Wj انرژی حرارتی است که در یک جهت حرکت بار q به انرژی الکتریکی تبدیل می شود ، یا انرژی الکتریکی که با حرکت بار در گرما تبدیل می شود جهت دیگر این EMF ها از نظر جهت مخالف هستند ، اما اگر دمای اتصالات متفاوت باشد معمولاً با یکدیگر برابر نیستند. W. Thomson (1824-1907) ثابت کرد که کل EMF یک عنصر حرارتی نه از دو بلکه از چهار EMF تشکیل شده است. علاوه بر EMF بوجود آمده در محل اتصال ها ، دو EMF اضافی نیز وجود دارد که ناشی از افت دما در هادی های تشکیل دهنده گرما است. نام EMF Thomson به آنها داده شد.
اثرات Seebeck و Peltier.ترموکوپل یک "موتور حرارتی" است ، از برخی جهات شبیه به ژنراتور برق توربین بخار است ، اما بدون قطعات متحرک است. مانند ژنراتور توربو ، گرما را با گرفتن آن از یک "بخاری" با دمای بالاتر و دادن مقداری از آن گرما به "یخچال" با دمای پایین ، به برق تبدیل می کند. در یک عنصر حرارتی ، که مانند یک موتور گرما عمل می کند ، "بخاری" در محل اتصال گرم است و "یخچال" در یک واحد سرد است. این واقعیت که گرما در دمای پایین تر از بین می رود ، کارایی نظری تبدیل انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی به (T1 - T2) / T1 را محدود می کند ، جایی که T1 و T2 دمای مطلق "بخاری" و "خنک تر" هستند. کاهش اضافی در کارایی عنصر حرارتی به دلیل اتلاف گرما در اثر انتقال گرما از "بخاری" به "یخچال" است.
به HEAT مراجعه کنید ؛ ترمودینامیک از تبدیل گرما به انرژی الکتریکی که در یک عنصر حرارتی اتفاق می افتد ، معمولاً به عنوان اثر Seebeck یاد می شود. از ترموکوپل ها که ترموکوپل نامیده می شوند ، برای اندازه گیری دما به ویژه در مکان های صعب العبور استفاده می شود. اگر یک اتصال در یک نقطه کنترل شده باشد ، و دیگری در دمای اتاق باشد ، که مشخص است ، سپس termo-EMF به عنوان اندازه گیری دما در نقطه کنترل شده عمل می کند. در زمینه استفاده از عناصر حرارتی برای تبدیل مستقیم گرما به برق در مقیاس صنعتی ، گام های بزرگی برداشته شده است. اگر جریانی از یک منبع خارجی از طریق عنصر حرارتی عبور کند ، آنگاه اتصال سرد گرما را جذب می کند و گرما آن را آزاد می کند. این پدیده را اثر Peltier می نامند. این اثر را می توان برای خنک کننده اتصال سرد یا گرم شدن محل اتصال گرم استفاده کرد. انرژی گرمایی آزاد شده توسط محل اتصال گرم از مقدار کل گرمای تامین شده به محل اتصال سرد با مقدار متناظر با انرژی الکتریکی تأمین شده بیشتر است. بنابراین ، اتصال گرم گرمای بیشتری نسبت به مقدار کل انرژی الکتریکی تأمین شده در دستگاه تولید می کند. در اصل ، می توان از تعداد زیادی عناصر حرارتی متصل به یکدیگر که اتصالات سرد آنها بیرون آمده و گرمترها داخل اتاق هستند ، می توان به عنوان پمپ حرارتی از یک منطقه با درجه حرارت پایین به یک منطقه با حرارت پمپاژ کرد. دمای بالاتر از لحاظ تئوری ، سود در انرژی حرارتی در مقایسه با هزینه انرژی الکتریکی می تواند T1 / (T1 - T2) باشد. متأسفانه ، برای اکثر مواد ، اثر آن چنان اندک است که در عمل به ترموکوپل زیادی نیاز است. علاوه بر این ، کاربرد اثر Peltier تا حدودی انتقال حرارت از محل اتصال گرم به محل اتصال سرد را به دلیل هدایت حرارتی در مورد مواد فلزی محدود می کند. تحقیقات در مورد نیمه هادی ها منجر به ایجاد موادی با اثرات Peltier به اندازه کافی بزرگ برای تعدادی از کاربردهای عملی شده است. اثر Peltier مخصوصاً زمانی ارزشمند است که لازم باشد مناطقی که صعب العبور نیستید روشهای خنک کننده معمولی مناسب نباشد. از چنین وسایلی برای خنک سازی استفاده می شود ، مثلاً وسایل موجود در فضاپیماها.
اثرات الکتروشیمیایی.در سال 1842 ، ه. هلمولتز نشان داد که در یک منبع جریان مانند یک ستون ولتایی ، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی و در فرآیند الکترولیز ، انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی تبدیل می شود. منابع انرژی شیمیایی مانند سلولهای خشک (باتری های معمولی) و باتری ها بسیار عملی ثابت شده اند. هنگامی که باتری با جریان الکتریکی با اندازه مطلوب شارژ می شود ، بیشتر انرژی الکتریکی منتقل شده به آن به انرژی شیمیایی تبدیل می شود که می تواند هنگام تخلیه باتری استفاده شود. هم هنگام شارژ و هم هنگام تخلیه باتری ، مقداری از انرژی به صورت گرما از بین می رود. این تلفات حرارتی به دلیل مقاومت داخلی باتری است. EMF چنین منبع جریانی برابر است با اختلاف پتانسیل در پایانه های آن در شرایط مدار باز ، زمانی که افت ولتاژ IR در مقاومت داخلی وجود نداشته باشد.
مدارهای DCبرای محاسبه قدرت جریان مستقیم در یک مدار ساده ، می توانید از قانون کشف شده توسط اهم در مطالعه یک ستون ولت استفاده کنید:

جایی که R مقاومت مدار است و V EMF منبع است. اگر چندین مقاومت با مقاومت R1 ، R2 و غیره به صورت سری متصل می شوند ، سپس در هر یک از آنها جریان I یکسان است و اختلاف کل پتانسیل برابر است با مجموع اختلافات بالقوه فردی (شکل 1 ، a). مقاومت کل را می توان مقاومت Rs اتصال سری گروهی از مقاومت ها تعریف کرد. اختلاف پتانسیل در این گروه برابر است با

در نتیجه،

اگر مقاومت ها به طور موازی به هم متصل شوند ، اختلاف پتانسیل در گروه با اختلاف پتانسیل هر مقاومت منفرد همزمان است (شکل 1 ، ب). جریان کل از طریق یک گروه مقاومت برابر است با مجموع جریانهای موجود در مقاومتهای منفرد ، یعنی

از آنجا که I1 = V / R1 ، I2 = V / R2 ، I3 = V / R3 و غیره ، مقاومت اتصال موازی گروه Rp با رابطه تعیین می شود

از کجا دنبال می شود

هنگام حل مشکلات با مدارهای DC از هر نوع ، ابتدا باید با استفاده از روابط (9) و (10) تا حد ممکن مسئله را ساده کنید.

قوانین Kirchhoff. G. Kirchhoff (1824-1887) قانون اهم را به طور دقیق مطالعه کرد و یک روش کلی برای محاسبه جریان مستقیم در مدارهای الکتریکی ، از جمله مواردی که حاوی چندین منبع EMF هستند ، ایجاد کرد. این روش بر اساس دو قانون به نام قوانین Kirchhoff استوار است: 1- مجموع جبری تمام جریانها در هر گره از مدار صفر است. 2. مجموع جبری تمام اختلافات احتمالی IR در هر حلقه بسته برابر است با مجموع جبری تمام EMF در این حلقه بسته. این دو قانون برای حل هر مشکلی در رابطه با مدارهای DC کافی است.
همچنین ببینید
باتری منبع تغذیه ؛
مدارهای الکتریکی.
مغناطیسی
مغناطیس شناسی با نیروهایی روبرو می شود که با مغناطش دائمی بین اجسام به وجود می آیند. خواص آهن ربا طبیعی در نوشته های تالس از میلتوس (حدود 600 سال قبل از میلاد) و افلاطون (427 تا 347 سال قبل از میلاد) گزارش شده است. کلمه "آهنربا" از کشف آهن ربا های طبیعی توسط یونانیان در مگنزیا (تسالالی) منشا گرفته است. تا قرن یازدهم. به پیام شن كوا و چو یو چینی در مورد ساخت قطب نما از آهن ربا های طبیعی و استفاده از آنها در ناوبری اشاره دارد. اگر یک سوزن بلند ساخته شده از یک آهنربا طبیعی بر روی محوری متعادل شود که به آن اجازه می دهد آزادانه در صفحه افقی بچرخد ، پس همیشه با یک انتها به سمت شمال و با سر دیگر به سمت جنوب است. وقتی انتهای شمال را مشخص می کنید ، می توانید از آن قطب نما برای تعیین جهت ها استفاده کنید. اثرات مغناطیسی در انتهای چنین سوزنی متمرکز شده است و از این رو قطب (به ترتیب شمال و جنوب) نامیده می شوند. کار W. Hilbert On Magnet (De magnete، 1600) اولین تلاش شناخته شده برای مطالعه پدیده های مغناطیسی از نقطه نظر علم بود. این کار شامل اطلاعات موجود در مورد برق و مغناطیس و همچنین نتایج آزمایشات خود نویسنده است. میله های ساخته شده از آهن ، فولاد و برخی دیگر از مواد در تماس با آهن ربا طبیعی مغناطیسی می شوند و توانایی جذب قطعات کوچک آهن مانند آهن ربا های طبیعی معمولاً خود را در نزدیکی تیرهای واقع در انتهای میله ها نشان می دهد. مانند بارهای الکتریکی ، قطب ها نیز دو نوع هستند. قطب های یکسان یکدیگر را دفع می کنند ، در حالی که قطب های مقابل آن را جذب می کنند. هر آهن ربا دارای دو قطب مخالف با همان مقاومت است. بر خلاف بارهای الکتریکی ، که می توانند از یکدیگر جدا شوند ، معلوم شد که جفت قطب ها جدایی ناپذیر هستند. اگر میله مغناطیسی شده با دقت در وسط بین قطب ها بریده شود ، آنگاه دو قطب جدید با همان نیرو ظاهر می شوند. از آنجا که بارهای الکتریکی بر قطب های مغناطیسی تأثیر نمی گذارد و بالعکس ، از مدتها قبل پدیده های الکتریکی و مغناطیسی از نظر ماهیت کاملاً متفاوت تلقی می شدند. کولنب قانونی را برای نیروهای جذب و دافعه قطب ها وضع کرد ، با استفاده از وزنه هایی مشابه وزنه هایی که استفاده می کرد ، و قانون را برای نیروهایی که بین دو بار دو نقطه ای عمل می کردند ، تعیین کرد. معلوم شد که نیرویی که بین قطب های نقطه وارد می شود متناسب با "بزرگی" آنها و با عکس از مربع فاصله بین آنها متناسب است. این قانون به صورت فرم نوشته شده است

جایی که p و p "بزرگی" قطب ها باشد ، r فاصله بین آنها است و Km ضریب تناسب است که به واحدهای اندازه گیری استفاده می شود. در فیزیک مدرن ، در نظر گرفتن اندازه قطب های مغناطیسی رها شده است (به دلایلی که در بخش بعدی توضیح داده شده است) ، بنابراین این قانون عمدتاً مورد توجه تاریخی است.
اثرات مغناطیسی جریان الکتریکی
در سال 1820 ، G. Oersted (1777-1851) کشف کرد که یک هادی با جریان بر روی یک سوزن مغناطیسی عمل می کند و آن را می چرخاند. فقط یک هفته بعد ، آمپر نشان داد که دو هادی موازی با جریان یک جهت ، به یکدیگر جذب می شوند. بعداً ، وی اظهار داشت كه تمام پدیده های مغناطیسی به دلیل جریانات است و خصوصیات مغناطیسی آهن ربا های دائمی با جریانهای مداوم در داخل این آهن ربا ها ارتباط دارند. این فرض کاملاً با مفاهیم مدرن سازگار است.
به مغناطیس ها و ویژگی های مغناطیسی ماده مراجعه کنید. میدان های الکتریکی ایجاد شده توسط بارهای الکتریکی در فضای اطراف با نیرویی وارد می شود که با یک بار آزمایش واحد عمل می کند. میدان های مغناطیسی در اطراف مواد مغناطیسی و هادی های دارای جریان الکتریکی بوجود می آیند ، که در ابتدا توسط نیرویی که بر یک قطب آزمایش "واحد" وارد می شود مشخص می شود. اگرچه این روش تعیین قدرت میدان مغناطیسی دیگر مورد استفاده قرار نمی گیرد ، اما این روش در تعیین جهت میدان مغناطیسی حفظ شده است. اگر یک سوزن مغناطیسی کوچک در مرکز جرم خود معلق باشد و بتواند آزادانه در هر جهتی بچرخد ، جهت گیری آن جهت میدان مغناطیسی را نشان می دهد. استفاده از قطب های مغناطیسی برای تعیین ویژگی های میدان های مغناطیسی به چند دلیل باید کنار گذاشته شود: اول ، شما نمی توانید یک قطب را جدا کنید. ثانیا ، نه موقعیت و نه اندازه قطب را نمی توان به طور دقیق تعیین کرد. ثالثاً ، قطب های مغناطیسی اساساً مفاهیمی ساختگی هستند ، زیرا در واقع اثرات مغناطیسی ناشی از حرکت بارهای الکتریکی است. بر این اساس ، میدان های مغناطیسی اکنون مشخصه نیرویی است که آنها با هادی های حامل جریان عمل می کنند. در شکل 2 هادی با جریان I را نشان می دهد که در صفحه نقاشی قرار دارد. جهت جریان I با یک پیکان نشان داده می شود. هادی در یک میدان مغناطیسی یکنواخت قرار دارد ، جهت آن موازی با صفحه نقاشی است و با جهت هادی با جریان ، زاویه f می سازد. مقدار القای میدان مغناطیسی B با بیان داده می شود

جایی که F نیرویی است که با آن میدان b بر روی یک عنصر رسانا از طول l با جریان I. عمل می کند. جهت نیروی F عمود بر هر دو جهت میدان مغناطیسی و جهت جریان است. در شکل 2 این نیرو عمود بر صفحه نقاشی است و از خواننده دور می شود. مقدار B را می توان در اصل با چرخاندن هادی تا زمانی که F به حداکثر مقدار B = Fmax / Il برسد ، تعیین کرد. جهت میدان مغناطیسی نیز می تواند با چرخاندن هادی تنظیم شود تا زمانی که نیروی F از بین برود ، یعنی هادی موازی با B خواهد بود. اگرچه اعمال این قوانین در عمل دشوار است ، اما روشهای آزمایشی برای تعیین اندازه و جهت میدانهای مغناطیسی بر اساس آنها است. نیرویی که بر هادی حامل جریان وارد می شود معمولاً به این صورت نوشته می شود

J. Biot (1774-1862) و F. Savard (1791-1841) قانونی را تهیه کردند که محاسبه میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط توزیع شناخته شده جریانهای الکتریکی را امکان پذیر می کند ، یعنی

جایی که B القای مغناطیسی ایجاد شده توسط یک عنصر رسانا با طول کوتاه l با جریان I است. جهت میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط این عنصر جریان در شکل نشان داده شده است. 3 ، که در آن r و f نیز توضیح داده شده است. نسبت ابعاد k به انتخاب واحدها بستگی دارد. اگر من در آمپر ، l و r - در متر و B - در tesla (T) بیان شود ، k = m0 / 4p = 10-7 H / m. برای تعیین مقدار و جهت B در هر نقطه از فضا ، که یک رسانا با طول زیاد و شکل دلخواه ایجاد می کند ، باید ذهنی هادی را به بخشهای کوتاه تقسیم کرد ، مقادیر b را محاسبه کرد و جهت زمینه های ایجاد شده را تعیین کرد توسط بخشهای جداگانه ، و سپس این قسمتهای جداگانه را به صورت برداری اضافه کنید. به عنوان مثال ، اگر جریان I در یک رسانا که دایره ای از شعاع a تشکیل می دهد در جهت عقربه های ساعت هدایت شود ، در این صورت میدان در مرکز دایره به راحتی محاسبه می شود. در فرمول (13) ، فاصله r از هر عنصر رسانا تا مرکز دایره برابر با a و f = 90 درجه است. علاوه بر این ، حاشیه تولید شده توسط هر عنصر عمود بر صفحه دایره است و از خواننده دور می شود. با افزودن تمام فیلدها ، القای مغناطیسی در مرکز بدست می آید:

برای یافتن فیلد نزدیک یک رسانا ، ایجاد شده توسط یک رسانای مستقیم و طولانی با جریان I ، استفاده از یکپارچه سازی برای جمع آوری فیلدها ضروری است. فیلدی که از این طریق پیدا می شود برابر است با:

جایی که r فاصله عمود از هادی است. این عبارت در تعریف فعلی آمپر مورد استفاده قرار می گیرد.
گالوانومتر Relation (12) به شما امکان مقایسه قدرت جریان های الکتریکی را می دهد. دستگاهی که برای این منظور ایجاد شده گالوانومتر نام دارد. اولین دستگاه از این دست توسط I. شوایگر در سال 1820 ساخته شد. این سیم پیچ سیم با یک سوزن مغناطیسی معلق در داخل آن بود. جریان اندازه گیری شده از سیم پیچ عبور کرده و یک میدان مغناطیسی در اطراف پیکان ایجاد می کند. پیکان متناسب با مقاومت جریان تحت یک گشتاور قرار می گیرد که با کشش نخ تعلیق متعادل می شود. میدان مغناطیسی زمین تحریف کننده است ، اما با محاصره پیکان با آهن ربا های دائمی می توان تأثیر آن را از بین برد. در سال 1858 دبلیو تامسون ، معروف به لرد کلوین ، آینه ای را به نشانگر متصل کرد و تعدادی بهبود دیگر را ایجاد کرد که به طور قابل توجهی حساسیت گالوانومتر را افزایش می دهد. چنین گالوانومترهایی از دسته دستگاه های دارای نشانگر متحرک هستند. اگرچه می توان یک گالوانومتر اشاره گر متحرک را بسیار حساس کرد ، اما تقریباً توسط دستگاه سیم پیچ متحرک یا قاب قرار گرفته بین قطب های یک آهنربا دائمی جایگزین شده است. میدان مغناطیسی آهنربای بزرگ نعل اسبی شکل در گالوانومتر در مقایسه با میدان مغناطیسی زمین چنان قوی است که می توان از تأثیر دوم غافل شد (شکل 4). گالوانومتر با قاب متحرک در سال 1836 توسط W. Steurgen (1850-1783) پیشنهاد شد ، اما به درستی شناخته نشد تا اینکه در سال 1882 ، J.D. Arsonval نسخه مدرن این دستگاه را ایجاد کرد.

برنج. 4. GALVANOMETER D "ARSONVAL" برای اندازه گیری مقاومت جریان الکتریکی. پیکان به یک قاب متحرک متصل در بین قطب های یک آهنربای نعل اسبی متصل است.

القای الکترومغناطیسی.پس از آنكه اورست ثابت كرد كه جريان مستقيم گشتاوري را بر روي آهنربا ايجاد مي كند ، تلاش هاي زيادي براي تشخيص جريان ناشي از حضور آهن ربا انجام شده است. با این حال ، آهن ربا بسیار ضعیف و روش های اندازه گیری فعلی بیش از حد خام برای تشخیص هر گونه اثر بود. سرانجام ، دو محقق - J. Henry (1797-1878) در آمریكا و M. Faraday (1791-1867) در انگلیس - به طور مستقل در سال 1831 كشف كردند كه هنگام تغییر میدان مغناطیسی در مدارهای هدایت كننده ، جریان های كوتاه مدت ایجاد می شود ، اما در آنجا اگر میدان مغناطیسی ثابت بماند هیچ تاثیری ندارد. فارادی معتقد بود که نه تنها میدانهای الکتریکی ، بلکه میدانهای مغناطیسی نیز خطوط نیرویی هستند که فضا را پر می کنند. تعداد خطوط نیروی میدان مغناطیسی که از سطح دلخواه عبور می کند با مقدار F مطابقت دارد که شار مغناطیسی نامیده می شود:

جایی که Bn برآمدگی میدان مغناطیسی B به حالت عادی به عنصر ds است. واحد اندازه گیری شار مغناطیسی Weber (Wb) نامیده می شود. 1 Wb = 1 T * m2. فارادی قانون EMF القا شده در یک حلقه بسته از سیم توسط یک میدان مغناطیسی در حال تغییر را تنظیم کرد (قانون القای مغناطیسی). طبق این قانون ، چنین EMF متناسب با میزان تغییر شار مغناطیسی کل از طریق سیم پیچ است. در سیستم واحدهای SI ، ضریب تناسب 1 است و بنابراین ، EMF (در ولت) برابر با سرعت تغییر شار مغناطیسی (در Wb / s) است. از نظر ریاضی ، این با فرمول بیان می شود

جایی که علامت منفی نشان می دهد که میدان های مغناطیسی جریانهای ایجاد شده توسط این EMF به گونه ای هدایت می شوند که تغییر شار مغناطیسی را کاهش می دهند. این قانون برای تعیین جهت EMF ناشی از آن مطابق با یک قانون کلی تر است که در سال 1833 توسط E. Lenz (1804-1865) فرموله شده است: EMF القا شده به گونه ای هدایت می شود که با علت ایجاد کننده آن خنثی کند. در مورد مدار بسته ای که جریان در آن رخ می دهد ، می توان این قانون را مستقیماً از قانون صرفه جویی در انرژی به دست آورد. این قانون جهت EMF القایی را در مورد مدار باز ، هنگامی كه جریان القایی ایجاد نمی شود ، تعیین می كند. اگر سیم پیچ از N پیچ سیم تشکیل شده باشد که هر یک از آنها توسط شار مغناطیسی F نفوذ می کند ، پس

این رابطه صرف نظر از دلیل تغییر نفوذ شار مغناطیسی به مدار معتبر است.
ژنراتورهااصل عملکرد یک ژنراتور ماشین الکتریکی در شکل نشان داده شده است. 5- یک حلقه سیم مستطیلی در خلاف جهت عقربه های ساعت در یک میدان مغناطیسی بین قطب های یک آهنربا می چرخد. انتهای سیم پیچ را به حلقه های لغزش آورده و از طریق برس تماس به مدار خارجی متصل می کنیم. وقتی صفحه حلقه عمود بر میدان باشد ، شار مغناطیسی نفوذ به حلقه حداکثر است. اگر صفحه حلقه با میدان موازی باشد ، شار مغناطیسی صفر است. وقتی صفحه حلقه مجدداً عمود بر میدان باشد ، 180 درجه چرخانده است ، شار مغناطیسی از طریق حلقه در جهت مخالف حداکثر است. بنابراین ، با چرخش سیم پیچ ، شار مغناطیسی که به طور مداوم به آن نفوذ می کند تغییر می کند و مطابق با قانون فارادی ، ولتاژ روی پایانه ها تغییر می کند.

برای تجزیه و تحلیل آنچه در یک دینام ساده اتفاق می افتد ، بیایید شار مغناطیسی را در نظر بگیریم وقتی که زاویه q از 0 تا 180 درجه باشد و وقتی q از 180 درجه تا 360 درجه باشد ، منفی است. اگر B القای میدان مغناطیسی و A ناحیه حلقه باشد ، شار مغناطیسی از طریق حلقه برابر خواهد بود:

اگر سیم پیچ با فرکانس f rev / s (به عنوان مثال 2pf rad / s) بچرخد ، پس از یک زمان t از لحظه شروع چرخش ، هنگامی که q برابر با 0 بود ، rad = qp 2pft دریافت می کنیم. بنابراین ، بیان جریان از طریق حلقه شکل می گیرد

طبق قانون فارادی ، ولتاژ القایی با افتراق شار بدست می آید:

علائم موجود در برس در شکل قطبیت ولتاژ القایی را در لحظه مربوطه نشان می دهد. کسینوس از +1 به -1 تغییر می کند ، بنابراین 2pfAB فقط دامنه ولتاژ است. ما می توانیم آن را با

(در همان زمان ، علامت منفی را حذف کردیم ، و آن را با انتخاب مناسب قطب سرب های ژنراتور در شکل 5 جایگزین کردیم). 6 نمودار تغییرات ولتاژ در طول زمان را نشان می دهد.

ولتاژ تولید شده توسط ژنراتور ساده توصیف شده به طور دوره ای جهت خود را معکوس می کند. همین امر برای جریانهای ایجاد شده در مدارهای الکتریکی توسط این ولتاژ اعمال می شود. به چنین ژنراتوری دینام گفته می شود. جریانی که همیشه جهت یکسانی را حفظ کند ثابت نامیده می شود. در بعضی موارد ، برای مثال ، برای شارژ باتری ، این جریان مورد نیاز است. برای بدست آوردن جریان مستقیم از جریان متناوب دو روش وجود دارد. یکی این که یک مدار کننده در مدار خارجی گنجانده شده است که جریان را فقط در یک جهت عبور می دهد. این اجازه می دهد ، مثل اینکه ، ژنراتور را برای یک نیم سیکل خاموش کرده و فقط در آن نیم سیکل وقتی ولتاژ قطب مورد نظر را دارد ، روشن کنید. روش دیگر این است که هر ولتاژ قطب را معکوس می کند ، تماس های متصل کننده دور به مدار خارجی را هر نیم سیکل تغییر دهید. سپس جریان در مدار خارجی همیشه در یک جهت هدایت می شود ، اگرچه ولتاژ القایی در حلقه قطبیت آن را تغییر می دهد. تغییر شکل تماس با استفاده از نیمه حلقه های جمع کننده نصب شده به جای حلقه های لغزش انجام می شود ، همانطور که در شکل نشان داده شده است. 7 ، الف. وقتی صفحه چرخش عمودی باشد ، سرعت تغییر شار مغناطیسی و در نتیجه ولتاژ القایی به صفر می رسد. در این لحظه است که برس ها روی شکاف جدا کننده دو نیمه حلقه می لغزند و مدار خارجی سوئیچ می شود. ولتاژ ظاهر شده در مدار خارجی تغییر می کند همانطور که در شکل نشان داده شده است. 7 ، ب
همچنین ببینیدژنراتورهای الکتریکی و موتورهای الکتریکی.

القا M متقابلاگر دو سیم پیچ بسته در کنار یکدیگر قرار داشته باشند ، اما از نظر الکتریکی به یکدیگر متصل نیستند ، پس از تغییر جریان در یکی از آنها ، EMF در دیگری القا می شود. از آنجا که شار مغناطیسی از طریق سیم پیچ دوم متناسب با جریان سیم پیچ اول است ، تغییر در این جریان تغییر در شار مغناطیسی با القای EMF مربوطه را به دنبال دارد. سیم پیچ ها را می توان معکوس کرد ، و سپس ، هنگامی که جریان فعلی در سیم پیچ دوم تغییر می کند ، EMF در اولین سیم القا می شود. EMF القا شده در یک سیم پیچ با سرعت تغییر جریان در سیم پیچ دیگر تعیین می شود و به اندازه و تعداد دور هر سیم پیچ و همچنین به فاصله بین سیم پیچ ها و جهت گیری آنها نسبت به یکدیگر بستگی دارد. اگر در نزدیکی مواد مغناطیسی وجود نداشته باشد ، این روابط نسبتاً ساده است. نسبت EMF القا شده در یک سیم پیچ به میزان تغییر جریان در سیم پیچ دیگر را ضریب القایی متقابل دو سیم پیچ متناظر با مکان داده شده آنها می نامند. اگر EMF القا شده به ولت بیان شود ، و سرعت تغییر جریان به آمپر در ثانیه (A / s) باشد ، در این صورت القا mutual متقابل در henry (H) بیان می شود. EMF القا شده در سیم پیچ ها با فرمول های زیر ارائه می شود:

جایی که M ضریب القای متقابل دو سیم پیچ است. سیم پیچ متصل به منبع جریان را معمولاً سیم پیچ اولیه یا سیم پیچ می نامند و دیگری را ثانویه می نامند. جریان مستقیم در سیم پیچ اولیه ولتاژ در ثانویه ایجاد نمی کند ، اگرچه در لحظه روشن و خاموش شدن جریان ، EMF برای مدت کوتاهی در سیم پیچ ثانویه رخ می دهد. اما اگر یک EMF به سیم پیچ اولیه متصل شود که باعث ایجاد جریان متناوب در این سیم پیچ می شود ، EMF متناوب نیز در سیم پیچ ثانویه القا می شود. بنابراین ، سیم پیچ ثانویه می تواند یک بار فعال یا مدارهای دیگر را با جریان متناوب بدون اتصال مستقیم آنها به منبع EMF تأمین کند.
مبدل ها.القا mutual متقابل این دو سیم پیچ را می توان با پیچاندن آنها روی یک هسته مشترک ساخته شده از یک ماده فرو مغناطیسی مانند آهن ، تا حد زیادی افزایش داد. به چنین وسیله ای ترانسفورماتور گفته می شود. در ترانسفورماتورهای مدرن ، هسته فرومغناطیسی یک مدار مغناطیسی بسته را تشکیل می دهد به طوری که تقریباً تمام شار مغناطیسی از داخل هسته عبور می کند و بنابراین از طریق هر دو سیم پیچ عبور می کند. یک منبع EMF متناوب که به سیم پیچ اولیه متصل است ، یک شار مغناطیسی متناوب در هسته آهن ایجاد می کند. این شار باعث ایجاد EMF متغیر در هر دو سیم پیچ اولیه و ثانویه می شود و حداکثر مقادیر هر EMF متناسب با تعداد دور در سیم پیچ مربوطه است. در ترانسفورماتورهای خوب مقاومت سیم پیچ ها آنقدر کم است که EMF القایی در سیم پیچ اولیه تقریباً با ولتاژ اعمال شده منطبق است و اختلاف پتانسیل در ترمینال های سیم پیچ ثانویه تقریباً با EMF القا شده در آن منطبق است. بنابراین ، نسبت افت ولتاژ بار سیم پیچ ثانویه به ولتاژ اعمال شده به سیم پیچ اولیه برابر است با نسبت تعداد دورهای سیم پیچ ثانویه و اولیه ، که معمولاً به صورت برابری نوشته می شود

جایی که V1 افت ولتاژ در چرخش های N1 سیم پیچ اولیه است و V2 افت ولتاژ در پیچ های N2 سیم پیچ ثانویه است. بسته به نسبت تعداد چرخش ها در سیم پیچ های اولیه و ثانویه ، ترانسفورماتورهای پله پله ای و پله ای پایین تر از هم تشخیص داده می شوند. نسبت N2 / N1 در ترانسفورماتورهای مرحله ای بیشتر از یک و در ترانسفورماتورهای پایین آورنده کمتر از یک است. ترانسفورماتور انتقال اقتصادی انرژی الکتریکی را در فواصل طولانی امکان پذیر می کند.
همچنین ببینیدترانسفورماتور برق. خود القایی جریان الکتریکی موجود در یک سیم پیچ همچنین شار مغناطیسی ایجاد می کند که در آن سیم پیچ نفوذ می کند. اگر جریان سیم پیچ با گذشت زمان تغییر کند ، شار مغناطیسی از طریق سیم پیچ نیز تغییر خواهد کرد ، EMF را در آن ایجاد می کند به همان روشی که هنگام کار ترانسفورماتور اتفاق می افتد. ظهور EMF در یک سیم پیچ هنگام تغییر جریان در آن ، خود القایی نامیده می شود. خود القایی همانطور که اینرسی بر روی حرکت اجسام در مکانیک تأثیر می گذارد ، جریان سیم پیچ را تحت تأثیر قرار می دهد: هنگام روشن شدن ، ایجاد جریان مستقیم در مدار را کند می کند و از روشن شدن سریع آن جلوگیری می کند خاموش همچنین باعث می شود هنگام باز شدن مدار ، جرقه هایی بین مخاطبین سوئیچ ها بپرند. در یک مدار جریان متناوب ، خود القایی یک راکتانس ایجاد می کند که دامنه جریان را محدود می کند. در صورت عدم وجود مواد مغناطیسی در نزدیکی سیم پیچ ثابت ، شار مغناطیسی عبوری از آن متناسب با جریان موجود در مدار است. طبق قانون فارادی (16) ، EMF القای خود باید در این مورد متناسب با میزان تغییر جریان باشد ، یعنی

در جایی که L یک فاکتور تناسب به نام خود القایی یا القا circuit مدار است. فرمول (18) را می توان تعریفی از مقدار L در نظر گرفت. اگر EMF القایی در سیم پیچ به ولت بیان شود ، جریان من - در آمپر و زمان t - در ثانیه بیان می شود ، سپس L به صورت مرغ اندازه گیری می شود (Hn ) علامت منهای نشان می دهد که EMF القا شده با افزایش جریان i خنثی می شود ، همانطور که در قانون لنز آمده است. یک EMF خارجی که بر EMF ناشی از القای خود غلبه دارد ، باید دارای علامت مثبت باشد. بنابراین ، در مدارهای AC ، افت ولتاژ در القایی برابر با L di / dt است.
تغییرات فعلی
همانطور که قبلاً گفته شد ، جریانهای متناوب جریاناتی هستند که جهت آنها به طور دوره ای تغییر می کند. به تعداد چرخه های دوچرخه سواری جریان در ثانیه فرکانس جریان متناوب گفته می شود و بر حسب هرتز (هرتز) اندازه گیری می شود. برق معمولاً به صورت جریان متناوب با فرکانس 50 هرتز (در روسیه و کشورهای اروپایی) یا 60 هرتز (در ایالات متحده) به مصرف کننده عرضه می شود. از آنجا که جریان متناوب با گذشت زمان تغییر می کند ، راه حل های ساده ای که برای مدارهای جریان مستقیم مناسب هستند ، به طور مستقیم در اینجا قابل استفاده نیستند. در فرکانس های بسیار بالا ، بارها می توانند نوسان داشته باشند - از یک مکان در مدار به مکان دیگر جریان داشته و برگشت کنند. در این حالت ، برخلاف مدارهای DC ، ممکن است جریان در هادی های متصل به سری یکسان نباشد. ظرفیت های موجود در مدارهای AC این اثر را تقویت می کنند. علاوه بر این ، هنگامی که جریان تغییر می کند ، اثرات خود القایی اعمال می شود ، که حتی در فرکانس های پایین در صورت استفاده از سیم پیچ با القایی زیاد قابل توجه می شود. در فرکانسهای نسبتاً پایین ، مدار AC هنوز هم می تواند با استفاده از قوانین Kirchhoff محاسبه شود ، که البته لازم است متناسب با آن اصلاح شوند. مداری را که شامل مقاومت ها ، سلف ها و خازن های مختلف است می توان به گونه ای مشاهده کرد که یک مقاومت کلی ، خازن و سلف به صورت سری به هم متصل شده باشد. خصوصیات چنین مدار متصل به یک ژنراتور جریان متناوب سینوسی را در نظر بگیرید (شکل 8). برای تنظیم قوانین محاسبه مدارهای AC ، شما باید رابطه بین افت ولتاژ و جریان را برای هر یک از اجزای چنین مدار پیدا کنید.

یک خازن نقش کاملاً متفاوتی در مدارهای AC و DC دارد. اگر ، به عنوان مثال ، مدار در شکل 8 سلول الکتروشیمیایی را وصل کنید ، سپس خازن شروع به شارژ می کند تا زمانی که ولتاژ روی آن برابر با EMF سلول شود. سپس شارژ متوقف شده و جریان به صفر می رسد. اگر مدار به یک دینام متصل باشد ، در یک نیم سیکل ، الکترونها از صفحه سمت چپ خازن خارج می شوند و در سمت راست جمع می شوند ، و در دیگری - برعکس. این الکترونهای متحرک نشان دهنده یک جریان متناوب است که قدرت آن در هر دو طرف خازن یکسان است. تا زمانی که فرکانس AC خیلی زیاد نباشد ، جریان از طریق مقاومت و سلف نیز یکسان است.
واکنش پذیر و امپدانسبرای تجزیه و تحلیل رابطه بین جریان و ولتاژ برای مدار نشان داده شده در شکل. 8 ، فرض کنید که شارژ صفحه خازن سمت چپ توسط

و شارژ صفحه راست - q است. در اینجا Q حداکثر بار (C) ، t زمان (ها) و w = 2pf است ، جایی که f فرکانس جریان متناوب (هرتز) است. جریان از طریق هر عنصر مدار برابر است با:

جایی که حداکثر جریان Imax برابر با w Q باشد. افت ولتاژ متغیر در خازن:

مطابق قانون اهم ، افت ولتاژ در یک مقاومت توسط

افت ولتاژ کل مدار از a به b برابر است با:

یا

جایی که

علاوه بر این

XL راکتانس القایی نامیده می شود و اگر L در مرغداری باشد ، با اهم بیان می شود. XC خازن گفته می شود و اگر C در فاراد باشد با اهم بیان می شود. امپدانس مدار X نیز با اهم بیان می شود. فرمول (19) را می توان با استفاده از هویت مثلثاتی cos (a + b) = cos a cos b - sin a sin b به فرم ساده تر و واضح تری کاهش داد. از آنجا که R و X با اهم بیان می شوند ، می توان آنها را به عنوان پایه های یک مثلث قائم الزاویه برای تعیین زاویه q مشاهده کرد (شکل 9). هیپوتنوئوس

امپدانس اتصال سری نامیده می شود. در شکل 9 یک مثلث امپدانس را نشان می دهد که از آن مشخص است R = Z cos q ، X = Z sin q و tan q = X / R. عبارت (19) را می توان به صورت v = ImaxZ (cos q cos w t - sin q sin w t) بازنویسی کرد ، که به عبارت کاهش می یابد

اگر از هویت مثلثاتی فوق استفاده می کنید ؛ عبارت (21) را می توان دوباره نوشت

جایی که

از فرمول (21) نتیجه می شود که ولتاژ v در پایانه های مدار حداکثر در t = -q / w است ، در حالی که جریان i حداکثر در t = 0 است ، یعنی جریان با زاویه q از فاز ولتاژ عقب می ماند. بنابراین ، در صورت غلظت راكتانس القایی ، جریان از ولتاژ فاز عقب می افتد ، یعنی اگر XL بزرگتر از XC باشد. در صورت غلظت مقاومت خازنی ، جریان ولتاژ را هدایت می کند ، یعنی XC از XL بزرگتر است. توجه داشته باشید که رابطه (22) با قانون اهم تفاوت دارد فقط در این است که مقاومت فعال R با مقاومت کل Z جایگزین می شود. اگر مقاومت R و حداکثر افت ولتاژ در پایانه های مدار ثابت بماند ، حداکثر مقدار از حداکثر جریان Imax با برابری دو واکنشگر مطابقت دارد. اگر القا و خازن نیز ثابت باشد ، پس می توانید با تغییر فرکانس جریان متناوب ، به برابری واکنش دهنده های آنها برسید. این در یک فرکانس دایره ای حاصل می شود

در این حالت ، می توان از تنظیم تشدید مدار صحبت کرد.

در بالا ، فرض بر این بود که جریان متناوب در مدار برقرار است. در حقیقت ، وقتی مدار به منبع ولتاژ متناوب متصل می شود ، گذرا در آن رخ می دهد. اگر مقاومت مدار قابل اغماض نباشد ، جریان های گذرا انرژی خود را به شکل گرما در مقاومت آزاد می کنند و به سرعت پوسیده می شوند ، پس از آن یک حالت ثابت جریان متناوب ایجاد می شود ، که در بالا فرض شد. در بسیاری از موارد ، گذرا در مدارهای AC می تواند نادیده گرفته شود. در صورت نیاز به توجه ، لازم است معادله دیفرانسیل توصیف وابستگی جریان به زمان مورد بررسی قرار گیرد.
ارزش های موثروظیفه اصلی نیروگاه های منطقه اول تأمین درخشش مورد نیاز رشته های لامپ های روشنایی بود. بنابراین ، این سوال در مورد کارایی استفاده از جریان مستقیم و متناوب برای این مدارها مطرح شد. طبق فرمول (7) ، برای انرژی الکتریکی که در یک مقاومت به گرما تبدیل می شود ، انتشار گرما متناسب با مربع قدرت جریان است. در مورد جریان متناوب ، تولید گرما به طور مداوم همراه با مقدار لحظه ای مربع جریان در نوسان است. اگر جریان طبق یک قانون سینوسی تغییر کند ، در این صورت مقدار میانگین مربع جریان لحظه ای برابر است با نصف مربع جریان حداکثر ، یعنی

ریشه مربع این مقدار را مقدار موثر جریان متناوب می نامند. بنابراین ، مقدار موثر جریان متناوب:

این باید جریان مستقیم باشد تا از گرم شدن همان رشته با جریان متناوب با دامنه Imax اطمینان حاصل شود. بدیهی است که دامنه ولتاژ متناوب در لامپ رشته ای باید چندین برابر بیشتر از ولتاژ مستقیم مربوطه باشد. بنابراین ، مقدار موثر ولتاژ AC به این صورت تعریف می شود

طبق فرمول (22) ، امپدانس مدار جریان متناوب برابر است با:

در صورت عدم وجود عناصر راکتیو در مدار ، ما Z = R و R = V / I داریم ، که از آن می توان دریافت که نسبت بین مقادیر موثر ولتاژ و جریان در مدار جریان متناوب تبدیل می شود همان چیزی که در مدار جریان مستقیم وجود دارد. توان ارائه شده به مدار سری ، بیان شده بر اساس مقادیر موثر جریان و ولتاژ ، برابر است با:

از آنجا که توان تلف شده در مدار DC P = VI است ، مقدار cos q را ضریب توان می نامند. اما V = IZ و R = Z cos q (شکل 9). بنابراین ، توان تلف شده با جریان متناوب در مدار سری برابر است با:

از آنجا دیده می شود که تمام توان صرف گرم شدن مقاومت می شود ، در حالی که قدرت در خازن و القا جذب نمی شود. درست است ، سلف های واقعی مقداری نیرو جذب می کنند ، به خصوص اگر هسته آهن داشته باشند. با معکوس سازی مداوم مغناطیس ، هسته آهن گرم می شود - بخشی از آن توسط جریان های القایی در آهن ، و بخشی نیز به دلیل اصطکاک داخلی (هیسترزیس) ، که مانع برگشت معکوس می شود. علاوه بر این ، القا می تواند باعث ایجاد جریان در مدارهای اطراف شود. وقتی در مدارهای متناوب اندازه گیری می شود ، تمام این تلفات به صورت تلفات توان در مقاومت به نظر می رسند. بنابراین ، مقاومت همان مدار برای جریان متناوب معمولاً کمی بیشتر از جریان مستقیم است و از طریق افت توان تعیین می شود:

برای اینکه یک نیروگاه از نظر اقتصادی کار کند ، اتلاف حرارت در خط انتقال نیرو (PTL) باید به اندازه کافی کم باشد. اگر Pc نیرویی است که به مصرف کننده ارائه می شود ، پس Pc = VcI هم برای DC و هم برای AC ، از آنجا که اگر q به درستی محاسبه شود ، می توان برابر با Unity کرد. تلفات در خطوط برق Pl = RlI2 = RlPc2 / Vc2 خواهد بود. از آنجا که خط انتقال به حداقل دو هادی طول l نیاز دارد ، مقاومت آن Rl = r 2l / A است. در این حالت ، از دست دادن خط

اگر هادی ها از مس ساخته شده باشند ، مقاومت r آن حداقل است ، در این حالت مقادیری باقی نمی ماند که بتواند به طور قابل توجهی کاهش یابد. تنها راه عملی برای کاهش تلفات افزایش Vc2 است ، زیرا استفاده از رساناهای با سطح مقطع بزرگ A ضرر دارد. این بدان معنی است که نیرو باید با استفاده از ولتاژ حداکثر ممکن منتقل شود. ژنراتورهای متداول ماشین الکتریکی توربین دار نمی توانند ولتاژهای بسیار بالایی ایجاد کنند که عایق آنها تحمل نکند. علاوه بر این ، ولتاژهای بسیار زیاد برای پرسنل خدماتی خطرناک است. با این حال ، ولتاژ AC تولید شده توسط نیروگاه می تواند برای انتقال از طریق خطوط برق با استفاده از ترانسفورماتور افزایش یابد. در انتهای دیگر خط برق ، مصرف کننده از ترانسفورماتورهای مرحله به پایین استفاده می کند که خروجی ولتاژ پایین ایمن تر و عملی تری را فراهم می کند. در حال حاضر ولتاژ در خط انتقال قدرت به 750،000 ولت می رسد.
Big Collegiate فرهنگ لغت ویکی پدیا ویکی پدیا جزئیات بیشتر