Генератор переменного тока

Возникновение электродвижущей силы при изменении магнитного поля в катушке используется для генери­рования электрического тока. Исполь­зуемый для этого прибор схематически изображен на рисунке 1. Катушка CDEF вращается между полюсами ду­гообразного магнита, и индуцируется э.д.с. Если концы катушки не соеди­нены с внешней цепью (резистором), то ток не идет. Во внешнюю цепь ток подается через кольца скольжения А₁ и А₂, которые сделаны из меди. А₁ соединено со стороной CD катушки, а А₂ — со стороной EF. А | всегда нахо­дится в соприкосновении со щеткой 

В₁, а А₂ — со щеткой В₂. Когда сторо­на CD движется вверх, то правило правой руки Флеминга показывает, что направление тока от С к D и от Е к F. Таким образом, ток входит в цепь на В₁ и выходит на В₂. Спустя пол-оборота FE будет в положении, ранее занимаемом CD, и направление тока меняется на противоположное, т. е. от F к Е и от D к С. Теперь ток входит в цепь на В2 и выходит на В₁. Таким образом, направление индуцирован­ной э.д.с. и тока меняется через каж­дые пол-оборота.

Они меняются не только по на­правлению, но и по величине. График зависимости э.д.с. от времени показан на рисунке 2 за время трех оборотов катушки. Максимальное значение электродвижущей силы Е₀ называется амплитудным значением. Время, за­нимаемое одним оборотом Т, назы­вается периодом, a f (частота) —это число оборотов за секунду. Отсюда

f = 1 / t

Бытовой источник электрического тока имеет частоту 50 Гц, это означает, что генератор делает пятьдесят оборо­тов в каждую секунду. График зави­симости тока от времени имеет ту же форму, что и график зависимости э.д.с. от времени, но сила тока зависит от сопротивления внешней цепи.

Полезно знать положения катуш­ки, которые соответствуют различным точкам на графике. Они показаны на рисунке 3 (катушка рассматривает­ся с торца). 

Индуцированная э.д.с. максимальна, когда катушка находит­ся в горизонтальном положении, и минимальна, когда катушка верти­кальна.

Это часто путает учащихся потому, что максимальное число магнитных силовых линий проходит через катуш­ку, когда она располагается верти­кально и, следовательно, имеет при этом максимальное число потокосцеп- лений. Однако не число потокосцеп- лений определяет индуцированную э.д.с., а скорость изменения этого чис­ла.

По рисунку 4 вы видите, что происходит весьма небольшое измене­ние числа потокосцеплений, когда ка­тушка находится вблизи вертикально­го положения, и соответственно ин­дуцированная э.д.с. отсутствует или весьма мала. Можно взглянуть на эту проблему по-другому, если рассмот­реть стороны CD и EF катушки, кото­рые ответственны за э.д.с. индукции. Когда катушка располагается гори­зонтально, то стороны CD и EF дви­жутся перпендикулярно магнитному полю, и поэтому индуцированная э.д.с. максимальна; когда же катушка располагается перпендикулярно полю, то стороны CD и EF движутся парал­лельно к магнитному полю, и поэтому индуцированная э.д.с. равна нулю. 

Генератор постоянного тока.

Переменный ток всегда образуется вращающейся катушкой, но он может быть легко преобразован в постоянный ток, если изменить способ его полу­чения. Вместо колец скольжения ис­пользуется коллектор. Для одного вит­ка или плоской катушки — это кольцо с прорезью (рис. 5), как в дви­гателе постоянного тока. Как и ранее, прорезь в коллекторе перпен­дикулярна плоскости катушки. Это означает, что когда катушка верти­кальна, то прорезь коллектора гори­зонтальна. Стороны катушки соединя­ются с различными щетками при каж­дом полуобороте, и изменение проис­ходит, когда индуцированная э.д.с. равна нулю. Таким образом, В1 всегда соединена со стороной катушки, кото­рая движется вниз, и ток всегда вхо­дит в цепь через В₁, а выходит из нее в В₂.

На рисунке 6, а показан график зависимости э.д.с. от времени при коллекторе из двух полуколец. Ток является пульсирующим постоян­ным током. Если две катушки уста­новлены на якоре под прямым углом друг к другу и коллектор имеет четыре прорези, то получаются более плав­ные пульсации, которые показаны на рисунке 6, б.

В рабочих генераторах на якорях помещается много катушек, а магни­тами являются электромагниты. Пред­ставление о сходстве двигателей и ге­нераторов дают следующие важные замечания:

1.  Между двигателем постоянного тока и генератором постоянного тока нет конструктивного различия, одно и то же устройство может применяться с той и другой целью. В двигателе электрическая энергия используется для вращения якоря, а вращающийся якорь используется для производства механической работы. В генераторе механическая энергия используется для вращения якоря, а вращающийся якорь образует электрическую энергию.

2.  Не является существенно важ­ным наличие в генераторе вращаю­щейся катушки. В некоторых генера­торах катушки закреплены, а между ними вращается магнит (ротор). Важ­но лишь, чтобы магнитное поле внутри катушки или катушек менялось опре­деленным образом. Иногда более удобно двигать магнит, поскольку в этом случае щетки и кольца сколь­жения не нужны, так как катушка не движется. В велосипедном дина­мо-моторе круглый магнит вращается внутри железного сердечника, на ко­торый намотана катушка.

3.  Поскольку отсутствует конструк­тивное различие между двигателем и генератором, то двигатель действует как генератор, когда вращается якорь. 

4.  Существует эффект двигателя в динамо-машине, аналогичный дина­мо-эффекту в двигателе. Когда дина­мо-машина дает ток, возникающая э.д.с. противодействует движению ка­тушки, стремясь замедлить ее вра­щение