§68 Змінний електричний струм. Генератор електричного струму.

18.07.2015

Частина XI. Змінний електричний струм.
§68 Змінний електричний струм.

Не буде великим перебільшенням, якщо сказати, що сучасна цивілізація побудована на виробництві, передачі і використання енергії електричного струму. Причому, в побуті, на транспорті, в промисловості головним чином використовуються механізми, що працюють на змінному електричному струмі. В даному параграфі ми розглянемо основні фізичні принципи роботи ланцюгів змінного електричного струму.

68.1 Генератор електричного струму.

В якості джерел змінного струму використовуються генератори змінного електричного струму, принцип дії яких заснований на явищі електромагнітної індукції. Роботу такого генератора розглянемо з допомогою спрощеної схеми, показаної на рис. 648.

§68 Змінний електричний струм. Генератор електричного струму.

рис. 648

Дротяна рамка (ротор), прикріплена до валу, може обертатися в зазорі між полюсами постійних магнітів (які називаються статором). Висновки дротяною обмотки рамки з’єднані з провідними кільцями, розташованими на валу. З цими кільцями стикаються ковзні контакти (щітки), з допомогою яких здійснюється електричний контакт між обмоткою рамки і зовнішньої електричної ланцюгом, для якої генератор служить джерелом ЕРС. Вал з’єднаний з деяким двигуном (наприклад, турбіною), який змушує рамку обертатися з деякою сталою кутовою швидкістю ω. Для забезпечення обертання на валу постійно прикладатися деякий момент сил M .

Будемо вважати, що магніти створюють однорідне магнітне поле індукції B (рис. 649).

§68 Змінний електричний струм. Генератор електричного струму.

рис. 649

Положення рамки будемо характеризувати кутом повороту φ. який утворює нормаль n до площини рамки з напрямком вектора індукції поля B. При обертанні рамки змінюється магнітний потік через неї, тому в ній індукується ЕРС. Так як за допомогою струмознімачів (кілець і щіток) рамка з’єднана із зовнішнім електричним ланцюгом, то в рамці і зовнішньому ланцюзі виникає електричний струм.

При рівномірному обертанні рамки кут повороту змінюється за законом

§68 Змінний електричний струм. Генератор електричного струму.

Магнітний потік через рамку також змінюється з плином часу, його залежність визначається функцією

§68 Змінний електричний струм. Генератор електричного струму.

де S — площа рамки, крім того, вважаємо, що обмотка рамки містить один виток. За законом електромагнітної індукції М. Фарадея ЕРС індукції, що виникає в рамці дорівнює

§68 Змінний електричний струм. Генератор електричного струму.

Як випливає з цього виразу, ЕРС індукції змінюється за гармонійним законом, з частотою рівною кутовій швидкості обертання рамки. Таким чином, ми показали, що розглянуте пристрій дійсно є джерелом змінної ЕРС.

Покажемо тепер, що цей генератор перетворює механічну енергію двигуна в енергію електричного струму. Нехай до генератора підключена зовнішня ланцюг, повний опір 1 якої дорівнює R. У відповідності з законом Ома сила струму в ланцюзі буде дорівнює

§68 Змінний електричний струм. Генератор електричного струму.

Так як рамка зі струмом знаходиться в магнітному полі, то на її сторони діють сили Ампера, що гальмують рух рамки. Раніше ми показали, що момент сил Ампера, що діє на рамку із струмом, що знаходиться в однорідному магнітному полі, визначається формулою

§68 Змінний електричний струм. Генератор електричного струму.

де φ — кут, який утворює нормаль до контуру з напрямком вектора індукції поля (в нашому випадку, цей же кут, який фігурував в попередніх формулах). Враховуючи залежності кута повороту (1) і сили струму (4) від часу, отримаємо, що, у розглянутому випадку гальмуючий момент сил Ампера залежить від часу за законом

§68 Змінний електричний струм. Генератор електричного струму.

Для обертання з постійною кутовою швидкістю до рамки має прикладатися такий же по модулю момент зовнішніх сил, створюваний двигуном. Таким чином, потужність, яку повинен розвивати двигун, розраховується за формулою

§68 Змінний електричний струм. Генератор електричного струму.

Беручи до уваги вираз (4) для сили струму, отримане вираз представляється у вигляді

§68 Змінний електричний струм. Генератор електричного струму.

що збігається з потужністю електричного струму, яка визначається законами Джоуля-Ленца. Отже, ми показали, що енергія індукованого струму в точності дорівнює роботі сил, обертаючих рамку генератора .

Звичайно, промислові електричні генератори (рис. 650) влаштовані складніше, ніж розглянутий нами.

§68 Змінний електричний струм. Генератор електричного струму.

рис. 650

Замість рамки з одним витком використовується ротор, що містить кілька обмоток з великим числом витків. Сильне магнітне поле створюється статором, утвореному електромагнітами. У багатьох генераторах електричний струм, що індукується в нерухомих обмотках, а магнітне поле створюється обертовими електромагнітами. У цьому випадку через рухливі контакти передається набагато менший електричний струм електромагнітів, ніж індукований електричний струм.

1 В реальності обмотка генератора і зовнішня ланцюг мають індуктивністю, крім того? зовнішня ланцюг може містити елементи, що володіють електричною ємністю, тому розрахунок сили струму і його енергетичних характеристик більш складний, ніж розглядається в даному розділі. Ці розрахунки будуть проведені в подальшому, тут же ми розглядаємо найпростішу ситуацію для того, щоб продемонструвати основну ідею.

Короткий опис статті: генератор електричного струму

Джерело: §68 Змінний електричний струм. Генератор електричного струму. | FizPortal

Також ви можете прочитати