Фізика 11 клас

ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

 

Розділ 2 Електромагнітне поле

 

§ 18. ЗМІННИЙ СТРУМ. ГЕНЕРАТОР ЗМІННОГО СТРУМУ

 

Якщо електричне коло під'єднати до джерела змінної ЕРС, на електрони в провіднику почне діяти змінна сила, яка примусить їх переміщатися. При цьому рух електронів буде точно повторювати характер змін ЕРС.

Змінний струм — це, по суті, вимушені коливання електричних зарядів у провіднику

Змінний струм за характером змін сили струму може бути найрізноманітнішим. Найбільш важливими є струми, сила яких змінюється за гармонічним законом, тобто за законом синуса чи косинуса.

Розглянемо замкнений контур площею S в однорідному магнітному полі, індукція якого В, Контур рівномірно обертається навколо осі OO з кутовою швидкістю ω) (мал. 85).

Магнітний потік, який пронизує контур, визначається за формулою Ф = BS cos а, де а кут між вектором нормалі n до площини контуру і вектором B.

У процесі рівномірного обертання контуру кут повороту а змінюється з часом за законом  а магнітний потік, який пронизує контур, за законом

У замкненому контурі виникає ЕРС індукції  значення якої у певний момент часу за формулою

Як випливає з формули, ЕРС індукції, що виникає в замкненому контурі, у процесі його рівномірного обертання в однорідному магнітному полі змінюється з часом за законом синуса(мал. 86).

ЕРС індукції максимальна при  тобто при

Величина  називається амплітудним значенням ЕРС індукції.

 

 

Мал. 85

 

 

Мал. 86

 

 

 

Мал. 87

 

Якщо такий контур замкнути на зовнішнє коло, то по колу проходитиме струм, сила і напрям якого змінюються.

Миттєве значення змінного струму, що проходить активним опором R, визначимо за законом Ома:

де Imax- амплітудне значення сили струму.

Інтервал часу Т, протягом якого змінна ЕРС здійснює одне повне коливання, називається періодом змінного струму.

Кількість повних коливань, які здійснюються за 1 с, називають частотою змінного струму v.

Розглянутий принцип одержання ЕРС лежить в основі будови більшості технічних індукційних генераторів змінного струму. Якщо виток розріжемо і кінці його з'єднаємо з кінцями зовнішнього кола за допомогою двох ізольованих один від одного кілець, якими ковзають щітки зовнішнього кола (мал. 87), то отримаємо схему найпростішого генератора.

Збуджувані в послідовно з'єднаних витках ЕРС додаються. Тому для одержання великої ЕРС у промислових генераторах контур, який обертається у магнітному полі, складають з послідовно з'єднаних витків дроту, намотаного на феромагнітне осердя. Тоді ЕРС, збуджена у такому генераторі, дорівнюватиме

На мал. 88 зображено найпростішу схему генератора змінного струму. У рамці, яка обертається в магнітному полі, виникає змінна ЕРС індукції. Якщо коло замкнути, то в ньому проходитиме змінний струм. Із зовнішнім колом рамка з'єднується кільцями, закріпленими на одній осі з рамкою. За один оберт рамки полярність щіток змінюється двічі. Щоб

 

 

                                              Мал. 88

збільшити напругу, яку знімають з клем генератора, на рамки намотують не один, а багато витків. У всіх промислових генераторах змінного струму витки, в яких індукується змінний струм, установлюють нерухомо, а магнітна система обертається. Нерухому частину генератора називають статором, а рухому — ротором. Якщо ротор обертати за допомогою зовнішньої сили, то разом з ротором обертатиметься і магнітне поле, яке він створює, при цьому в провідниках статора індукується ЕРС. Електрогенератори, які працюють з гідротурбінами, називають гідрогенераторами, а ті, що працюють з паровими турбінами, — турбогенераторами.

Це цікаво знати

Найбільш важливими для практичного застосування є праці петербурзького академіка Б. С. Якобі зі створення електродвигуна з обертальним рухом якоря. У травні 1834 р. він сконструював свій перший електродвигун, який мав (мал. 89) дві групи П-подібних електромагнітів; одна з них розташовувалася на нерухомій рамі, а інша — на диску, який міг обертатися. Джерелом живлення слугувала батарея гальванічних елементів. Обмотки електромагнітів нерухомої рами були з'єднані послідовно, і струм обтікав їх увесь час в одному напрямі. Напрям струму в електромагнітах на диску весь час змінювався за допомогою спеціального комутатора оригінальної конструкції. Це обумовлювало зміну полярності цих електромагнітів, а їх взаємодія (притягання і відштовхування) створювала обертальний момент. Такий електродвигун мав потужність близько 15 Вт, тобто міг піднімати вантаж масою 4—5 кг на висоту приблизно 30 см за 1 с. Про свою роботу Б. С. Якобі доповів на засіданні Паризької академії наук 1 грудня 1834 р. Звістка про його винахід швидко розлетілася по всіх країнах.

Прагнучи збільшити потужність машини, Б. С. Якобі створив електродвигун здвоєного типу (мал. 90), який мав 24 нерухомих електромагніти і 12 рухомих прямих електромагнітів; принцип дії машини залишався таким самим. Зміна конструкції, проте, не привела до значного збільшення потужності. А тому Якобі розпочав пошук принципово

 

 

Мал. 89

 

 

Мал. 90

нового вирішення цієї проблеми, і в 1838 р. досяг мети.

У 1837 р. американський технік Т. Девенпорт побудував електродвигун, що працював за принципом взаємодії рухомих електромагнітів з нерухомими постійними магнітами (мал. 91). Він складався з чотирьох хрестоподібно розміщених електромагнітів 1—4, закріплених на дерев'яному диску, що жорстко зв'язаний з вертикальним валом. Електромагніти розміщувалися всередині двох напівкруглих постійних магнітів 5 і 6. На особливій підставці були закріплені мідні пластини 7 і 8, розділені посередині ізоляцією; до них підводився струм від батареї елементів. Одна пара послідовно з'єднаних електромагнітів мала пружинячі контакти 9 і 10, а інша пара — такі ж контакти 11 і 12.

Полярність електромагнітів змінювалася за допомогою комутатора. Двигун Девенпорта був більш компактним, ніж машина Якобі, завдяки розміщенню в одній площині рухомих і нерухомих магнітів, хоча заміна електромагнітів постійними магнітами і була кроком назад, оскільки магніти мають велику вагу і здатні розмагнічуватися.

У середині 1837 р. за пропозицією Б. С. Якобі, який прагнув до практичного використання електродвигунів, у Росії була створена «Комісія для постановки дослідів із пристосування електромагнітної сили до руху машин за способом професора Якобі». Згідно із задумками, електродвигун був найбільш зручний для водного транспорту (він мав би замінити важкий, громіздкий і пожежонебезпечний для дерев'яного судна паровий двигун і вугільний бункер до нього), атому до складу Комісії увійшли разом із Е. Ленцем та П. Шіллінгом, представники морського відомства на чолі з адміралом І. Крузенштерном. Комісія отримала для дослідів бот, що вміщав 12 пасажирів і був розрахований на 10 веслярів.

Спочатку Б. С. Якобі пропонував встановити на боті електродвигун конструкції 1834 p., помістивши його вал упоперек судна, а на кінцях валу розташувати грібні колеса. Проте електродвигун займав дуже багато місця. Б. С. Якобі почав займатися розробкою нової конструкції, що було успішно завершено у 1838 р. (Модель одного елемента такого електродвигуна Якобі (конструкція 1838 р.) наведено на мал. 92). Він замінив положення магнітів і розмістив по 20 двигунів на двох вертикальних валах.

У конструкції знайшла практичне застосування пропозиція Т. Девенпорта, а саме, розташовувати нерухомі і обертальні магніти в одній площині. Не дивлячись на збільшені розміри електродвигуна по вертикалі, його можна було зручно закріпити на судні. Випробування показали, що електродвигун цілком придатний для руху бота, але завдяки живленню струмом від гальванічних батарей вартість проїзду була приблизно у 25 разів більша від вартості цієї ж роботи, виконуваної паровою машиною. Таким чином, питання про використання електродвигуна виявилося залежним від створення економічного генератора електричної енергії.

 

 

Мал. 91

 

Мал. 92

 

Мал. 93

 

 

Мал. 94

 

Із електродвигунів, що отримали застосування у 50—60-х роках XIX ст. можна вказати на машину французького інженера П. Фромана (мал. 93), яка використовувалася для приведення в дію друкарських верстатів. Особливість установки: шість пар електромагнітів розташовували по колу, а на якорі закріплювали металеві пластини, що притягувалися або відштовхувалися електромагнітами (на малюнку дві верхні пари не показано).

Одним із серйозних недоліків цієї і попередніх конструкцій електродвигунів була непостійність обертального моменту: у зв'язку з позмінним притяганням та відштовхуванням магнітів дія електродвигунів була поштовхоподібною, що було малоперспективним для застосування їх на практиці.

Перший крок для ліквідації цього недоліку зробив молодий італійський учений, згодом професор фізики Болонського і Пізанського університетів, А. Пачінотті. У 1860 р. він сконструював електродвигун із кільцевим якорем і практично постійним обертальним моментом (мал. 94): основні деталі цієї установки — якір 7 і електромагніти 2. Якір із сталі мав форму кільця із зубцями, за допомогою латунних спиць він прикріплювався на вертикальному валу. Між зубцями на кільце намотувалися котушки 3, кінці яких виводилися до пластин колектора, розміщеного на нижній частині вала. Обмотки електромагнітів вмикалися послідовно із обмотками якоря, тобто можна сказати, що це був перший електродвигун із послідовним збудженням. Учений вказував на можливість перетворення своєї машини в генератор. Відомості про електродвигун Пачінотті були опубліковані в 1836 p., проте про ідею кільцевого якоря згадали лише через 10 років.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити