Генератор в физике: Устройство и принцип работы генератора переменного тока — урок. Физика, 9 класс.

Содержание

Устройство и принцип работы генератора переменного тока — урок. Физика, 9 класс.

Проведём опыт по получению индукционного тока. Будем вдвигать и выдвигать постоянный магнит в катушку, соединённую с гальванометром.

 

 

Рисунок \(1\). Опыт по получению индукционного тока

 

Можно наблюдать отклонение гальванометра в одну и другую стороны. Это значит, что по катушке течёт индукционный ток, у которого изменяется как модуль, так и направление с течением времени. Такой ток называется переменным током.


Переменный ток создаётся и в замкнутом контуре изменяющимся магнитным потоком, пронизывающим его площадь. Изменение магнитного потока связано с изменением индукции магнитного поля. Величину магнитного потока можно изменить, поворачивая контур (или магнит), то есть меняя его ориентацию по отношению к линиям магнитной индукции.

 

 

Рисунок \(2\). Изменение магнитного потока при вращении постоянного магнита


Этот принцип получения переменного электрического тока используется в механических индукционных генераторах — устройствах, преобразующих механическую энергию в электрическую.

Основные части: статор (неподвижная часть) и ротор (подвижная часть).

 

 

Рисунок \(3\). Схема генератора

\(1\) — корпус;

\(2\) — статор;

\(3\) — ротор;

\(4\) — скользящие контакты (щётки, кольца).


В промышленном генераторе статором является цилиндр с прорезанными внутри него пазами, в которые уложен витками провод из меди с большой площадью поперечного сечения (аналогично рамке). Переменный магнитный поток в таких витках порождает переменный индукционный электрический ток.


Ротор — это постоянный магнит или электромагнит. Электромагнит представляет собой обмотку с железным сердечником внутри, по которому течёт постоянный электрический ток. Он подводится от внешнего источника тока через щётки и кольца.

 

Какая-либо механическая сила (паровая или водяная турбина) вращает ротор. Вращающееся одновременно с ним магнитное поле образует изменяющийся магнитный поток в статоре, в котором возникает переменный электрический ток.

 

 

Рисунок \(4\). Устройство гидрогенератора

\(1\) — статор;

\(2\) — ротор;

\(3\) — водяная турбина.

Переменный ток (Генератор переменного тока. Преобразование энергии в электрогенераторах). Физика, 9 класс: уроки, тесты, задания.

1. Основные части и принцип действия генератора

Сложность: лёгкое

1
2.
Получение и использование переменного тока

Сложность: лёгкое

1
3. Амплитуда силы тока в обмотке генератора

Сложность: лёгкое

1
4. Определение периода колебаний по графику

Сложность: лёгкое

1
5. Вычисление периода колебаний тока

Сложность: лёгкое

1
6. Действующее значение силы тока

Сложность: среднее

2
7. Частота колебаний

Сложность: среднее

2
8. Изменение индукционного тока

Сложность: среднее

2
9. Включение реостата в сеть

Сложность: сложное

3
10. Промышленный переменный ток

Сложность: сложное

4
11. Время нагревания воды

Сложность: сложное

4

Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

На заре электрификации генератор постоянного тока оставался безальтернативным источником электрической энергии.

Довольно быстро эти альтернаторы были вытеснены более совершенными и надёжными трехфазными генераторами переменного тока. В некоторых отраслях постоянный ток продолжал быть востребованным, поэтому устройства для его генерации совершенствовались и развивались.

Даже в наше время, когда изобретены мощные выпрямительные устройства, актуальность генераторов постоянного электротока не потерялась. Например, они используются для питания силовых линий на городском электротранспорте, используемых трамваями и троллейбусами. Такие генераторы по-прежнему используют в технике электросвязи в качестве источников постоянного электротока в низковольтных цепях.

Устройство и принцип работы

В основе действия генератора лежит принцип, вытекающий из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет пересекать магнитный поток (см. рис. 1). По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС.

Электродвижущая сила возрастает по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору (два жёлтых полукольца на рисунке) подсоединить нагрузку R, то через образованную электрическую цепь потечёт ток.

Рис. 1. Принцип действия генератора постоянного тока

По мере выхода витков рамки из зоны действия магнитного потока ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в тот момент, когда рамка расположится горизонтально. Продолжая вращение контура, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, которая находилась под северным полюсом, занимает положение над южным магнитным полюсом.

Величины ЭДС в каждой активной обмотке контура определяются по формуле: e1 = Blvsinwt; e2 = -Blvsinwt; , где Bмагнитная индукция, l – длина стороны рамки, v – линейная скорость вращения контура, tвремя, wt – угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.

 

При смене полюсов меняется направление тока. Но благодаря тому, что коллектор поворачивается синхронно с рамкой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. То есть рассматриваемая модель обеспечивает выработку постоянного электричества. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinwt, а это значит, что изменение она подчиняется синусоидальному закону.

Строго говоря, данная конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график сгенерированного тока имеет вид, как показано на рис.2.

Рисунок 2. График тока, выработанного примитивным генератором

Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Приходится сглаживать пульсации до приемлемого уровня. Для этого увеличивают количество полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамки используют более сложную конструкцию – якорь, с большим числом обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются разными способами, о чём речь пойдёт ниже.

Рис. 3. Ротор генератора

Якорь изготавливается из листовой стали. На сердечниках якоря имеются пазы, в которые укладываются несколько витков провода, образующего рабочую обмотку ротора. Проводники в пазах соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь через пластины коллектора создают замкнутую цепь.

С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, какие детали вращаются – обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якоря для маломощных генераторов делают из постоянных магнитов, а полученный переменный ток выпрямляют диодными мостами и другими схемами.

И напоследок: если на коллектор подать постоянное напряжение, то генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронных двигателей.

Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рисунка 4. Неподвижный статор состоит из двух сердечников полюсов, состоящих из ферримагнитных пластин, и обмоток возбуждения, соединённых последовательно. Щётки расположены по одной линии друг против друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

Рис. 4. Двигатель постоянного тока

Классификация

Различают два вида генераторов постоянного тока:

  • с независимым возбуждением обмоток;
  • с самовозбуждением.

Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:

  • устройства с параллельным возбуждением;
  • альтернаторы с последовательным возбуждением;
  • устройства смешанного типа (компудные генераторы).

Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные  показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.

На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.

Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.

С последовательным возбуждением

Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.

В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.

Со смешанным возбуждением

Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.

Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.

Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.

Технические характеристики генератора постоянного тока

Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:

  • зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
  • характеристики внешних параметров;
  • регулировочные величины.

Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5).  Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).

Рис. 5. Внешняя характеристика ГПТ

В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена (см. рис. 6).  Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.

Рис. 6. Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. (см. верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.

В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.

В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.

Рис. 8. Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.

В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.

Реакция якоря

Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.

Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.

ЭДС

Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая указанные параметры можно управлять величиной ЭДС, а значит и напряжением. Проще всего, желаемого результата можно достичь путём регулировки частоты вращения якоря.

Мощность

Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EIa. Отдаваемая в цепь полезная мощность P1 = UI.

КПД

Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом ηe. Тогда: ηe=P1/P.

На холостом ходе ηe = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.

Применение

До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на ж/д транспорте было безальтернативным. Однако уже начался процесс вытеснения этих генераторов синхронными трёхфазными устройствами. Переменный ток, синхронного альтернатора выпрямляют с помощью выпрямительных полупроводниковых установок.

На некоторых российских локомотивах нового поколения уже применяют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.

Похожая ситуация наблюдается с автомобильными генераторами. Альтернаторы постоянного тока заменяют асинхронными генераторами, с последующим выпрямлением.

Пожалуй, только передвижные сварочные аппараты с автономным питанием неизменно остаются в паре с альтернаторами постоянного тока. Не отказались от применения мощных генераторов постоянного тока также некоторые отрасли промышленности.

Видео по теме

Список использованной литературы

  • Вольдек А. И., Попов В. В. «Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы» 2008
  • О.А.Косарева «Шпаргалка по общей электротехники и электроники»
  • Китаев В. Е., Корхов Ю. М., Свирин В. К. «Электрические машины» Часть 1. Машины постоянного тока. 1978
  • Данилов И.А., Лотоцкий К.В. «Электрические машины» 1972

Генератор на транзисторе. Автоколебания - Класс!ная физика

Генератор на транзисторе. Автоколебания

Подробности
Просмотров: 487

«Физика - 11 класс»

Вынужденные колебания возникают под действием переменного напряжения, вырабатываемого генераторами на электростанциях.
Такие генераторы не могут создавать колебания высокой частоты, необходимые для радиосвязи? т.к. для этого потребовалась бы очень большая скорость вращения ротора.
Колебания высокой частоты получают, например, с помощью генератора на транзисторе.

Автоколебательные системы

Обычно незатухающие вынужденные колебания поддерживаются в цепи действием внешнего периодического напряжения.
Но возможны и другие способы получения незатухающих колебаний.

Например, есть система, в которой могут существовать свободные электромагнитные колебания, с источником энергии.
Если сама система будет регулировать поступление энергии в колебательный контур для компенсации потерь энергии на резисторе, то в ней могут возникнуть незатухающие колебания.

Системы, в которых генерируются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри самой системы, называются автоколебательными. Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями.

Генератор на транзисторе — пример автоколебательной системы.
Он состоит из колебательного контура с конденсатором емкостью С и катушкой индуктивностью L, источника энергии и транзистора.

Как создать незатухающие колебания в контуре?

Чтобы электромагнитные колебания в контуре не затухали, нужно компенсировать потери энергии за каждый период.

Пополнять энергию в контуре можно, подзаряжая конденсатор.
Для этого надо периодически подключать контур к источнику постоянного напряжения.

Конденсатор должен подключаться к источнику только в те интервалы времени, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина заряжена положительно, а присоединенная к отрицательному полюсу — отрицательно.
Только в этом случае источник будет подзаряжать конденсатор, пополняя его энергию.

Если же ключ замкнуть в момент, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина имеет отрицательный заряд, а присоединенная к отрицательному полюсу — положительный, то конденсатор будет разряжаться через источник. Энергия конденсатора при этом будет убывать.

Источник постоянного напряжения, постоянно подключенный к конденсатору контура, не может поддерживать в нем незатухающие колебания, так же как постоянная сила не может поддерживать механические колебания.
В течение половины периода энергия поступает в контур, а в течение следующей половины периода возвращается в источник.


В контуре незатухающие колебания установятся лишь при условии, что источник будет подключаться к контуру в те интервалы времени, когда возможна передача энергии конденсатору.
Для этого необходимо обеспечить автоматическую работу ключа.
При высокой частоте колебаний ключ должен обладать надежным быстродействием. В качестве такого практически безынерционного ключа и используется транзистор.

Транзистор состоит из эмиттера, базы и коллектора.
Эмиттер и коллектор имеют одинаковые основные носители заряда, например дырки (полупроводник p-типа).
База имеет основные носители противоположного знака, например электроны (полупроводник n-типа).

Работа генератора на транзисторе

Колебательный контур соединен последовательно с источником напряжения и транзистором так, что на эмиттер подается положительный потенциал, а на коллектор — отрицательный.
При этом переход эмиттер — база (эмиттерный переход) является прямым, а переход база — коллектор (коллекторный переход) оказывается обратным, и ток в цепи не идет.
Это соответствует разомкнутому ключу.

Чтобы в цепи контура возникал ток и подзаряжал конденсатор контура в ходе колебаний, нужно сообщать базе отрицательный относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена положительно, а нижняя — отрицательно.
Это соответствует замкнутому ключу.

В интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена отрицательно, а нижняя — положительно, ток в цепи контура должен отсутствовать. Для этого база должна иметь положительный потенциал относительно эмиттера.

Таким образом, для компенсации потерь энергии колебаний в контуре напряжение на эмиттерном переходе должно периодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения на контуре.
Необходима обратная связь.

Здесь обратная связь — индуктивная.
К эмиттерному переходу подключена катушка индуктивностью LCB, индуктивно связанная с катушкой индуктивностью L контура.
Колебания в контуре вследствие электромагнитной индукции возбуждают колебания напряжения на концах катушки, а тем самым и на эмиттерном переходе.
Если фаза колебаний напряжения на эмиттерном переходе подобрана правильно, то «толчки» тока в цепи контура действуют на контур в нужные интервалы времени, и колебания не затухают.
Напротив, амплитуда колебаний в контуре возрастает до тех пор, пока потери энергии в контуре не станут точно компенсироваться поступлением энергии от источника.
Эта амплитуда тем больше, чем больше напряжение источника.
Увеличение напряжения приводит к усилению «толчков» тока, подзаряжающего конденсатор.

Генераторы на транзисторах широко применяются не только во многих радиотехнических устройствах: радиоприемниках, передающих радиостанциях, усилителях, ЭВМ.

Основные элементы автоколебательной системы

На примере генератора на транзисторе можно выделить основные элементы, характерные для многих автоколебательных систем.

1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения).

2. Колебательная система — та часть автоколебательной системы, непосредственно в которой происходят колебания (в генераторе на транзисторе это колебательный контур).

3. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему - клапан (в рассмотренном генераторе - транзистор).

4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе - индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер — база).

Примеры автоколебательных систем

Автоколебания в механических системах: часы с маятником или балансиром (колесиком с пружинкой, совершающим крутильные колебания). Источником энергии в часах служит потенциальная энергия поднятой гири или сжатой пружины.

К автоколебательным системам относятся электрический звонок с прерывателем, свисток, органные трубы и многое другое. Наше сердце и легкие также можно рассматривать как автоколебательные системы.

Источник: «Физика - 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин



Электромагнитные колебания. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика

Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур. Превращение энергии при электромагнитных колебаниях --- Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями --- Уравнение, описывающее процессы в колебательном контуре. Период свободных электрических колебаний --- Переменный электрический ток --- Активное сопротивление. Действующие значения силы тока и напряжения --- Конденсатор в цепи переменного тока --- Катушка индуктивности в цепи переменного тока --- Резонанс в электрической цепи --- Генератор на транзисторе. Автоколебания --- Краткие итоги главы

2.10.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ. История электротехники

2.10.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Как уже отмечалось, гальванические батареи существенно тормозили практическое применение электродвигателей. Развитие электрических машин наглядно иллюстрирует характерную закономерность в развитии техники вообще. Эта закономерность проявляется в следующем: если развитие какой-либо отрасли техники тормозится недостаточным уровнем другой отрасли техники или области науки, то развитие последней ускоряется требованиями первой. Так, если отсутствие экономичного генератора тока сдерживало расширение практических применений электричества, то последние стимулировали, ускоряли работы по созданию более совершенной конструкции генератора.

В развитии электрического генератора постоянного тока можно выделить четыре этапа [1.6; 2.15; 2.16].

Первый этап (1831–1851 гг.) характеризуется созданием электрических генераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Такие генераторы получили в то время название магнитоэлектрических машин. Открытие в 1831 г. явления электромагнитной индукции указало новый способ получения электрического тока, который нашел свое практическое воплощение в первом униполярном генераторе — диске Фарадея. Один из первых шагов в истории генератора несет в себе тайну, оставшуюся неразгаданной. Дело в том, что имя изобретателя, сделавшего этот шаг, осталось неизвестным. Дадим слово М. Фарадею: «Вчера, по возвращении в город, — писал ученый в редакцию известного лондонского научного журнала 27 июля 1832 г. , — я нашел закрытое письмо, оно анонимное, и я не имею возможности назвать его автора. Но ввиду того, что он описывает опыт, при котором впервые удалось получить химическое разложение магнитоэлектрическим током, я посылаю Вам это письмо для опубликования…»

Письмо было подписано двумя латинскими буквами P.M. Так и вошел в историю техники «генератор P.M.». Эта машина представляла собой синхронный многополюсный генератор, т.е. была генератором переменного тока. Письмо P.M. привлекло к проблеме генератора внимание многих ученых. Прочел публикацию и сам P.M.; в марте 1833 г. он обратился в редакцию журнала с благодарностью М. Фарадею за публикацию письма и описанием усовершенствований в машине. Главное из них — добавочное стальное кольцо (ярмо), замыкавшее магнитную цепь сердечников электромагнитов. И снова та же подпись P.M.

На рис. 2.18 представлен усовершенствованный вариант генератора.

Однако переменный ток в то время не мог еще найти себе потребителя, так как для всех практических применений электричества (минная электротехника, электрохимия, только что зародившаяся электромагнитная телеграфия, первые электродвигатели) требовался постоянный ток. Поэтому в последующем изобретатели направили свои усилия на построение генераторов, дающих постоянный электрический ток, разрабатывая для этих целей разнообразные коммутационные устройства.

Впервые приспособление для выпрямления тока в попеременно-полюсной машине (в отличие от униполярной машины М. Фарадея, которая не нуждалась в устройстве для выпрямления тока, так как давала непосредственно постоянный ток) было применено в 1832 г. в генераторе французских изобретателей братьев Пиксии. Изобретение представлялось тогда настолько важным, что сообщения о нем были дважды сделаны в Парижской академии наук. В первых конструкциях генераторов для получения тока неизменного направления (но резко пульсирующего) применялось так называемое коромысло Ампера. A.M. Ампер отмечал пластинчатый барабанный коммутатор в машине Пиксии с прижимающимися к амальгамированным поверхностям пластин подпружиненными медными или бронзовыми пластинами — щетками. Позднее он стал основой коммутирующих устройств для всех последующих конструкций генераторов постоянного тока. С машиной Пиксии работал Э.Х. Ленц, и именно на этой машине в 1838 г. он демонстрировал принцип обратимости.

Рис. 2.18. Генератор P.M.

1 — деревянный диск, укрепленный на оси 2, приводимый в движение рукояткой 3; 4 — подвижные постоянные магниты; 5 — железные сердечники катушек 7; б — стальное кольцо с добавочными обмотками, замыкающее магнитную цепь сердечников; 8 — подставка 

Недостатком машин P.M. и братьев Пиксии явилось то, что в них приходилось вращать более или менее тяжелые постоянные магниты. Целесообразнее оказалось сделать магниты неподвижными, а заставить вращаться более легкие катушки. При этом проще было выполнить и коммутирующее устройство, вращающаяся часть которого была закреплена на валу вместе с якорем. Магнитоэлектрические генераторы такого типа оказались значительно удобнее и именно в такой конструктивной форме впервые вошли в практику.

Первым генератором, как уже отмечалось, получившим практическое применение, был магнитоэлектрический генератор Б. С. Якоби. Занимаясь усовершенствованием методов электрического взрывания мин, Б.С. Якоби построил в 1842 г. генератор, названный им «магнитоэлектрической батареей» (рис. 2.19). При вращении катушек 3 зубчатой передачей 5 в поле постоянных магнитов 1 в них наводилась ЭДС; на валу 2 имелось коммутирующее устройство 4 в виде двух полуцилиндров, представляющее собой простейший двухпластинчатый коллектор. Этот генератор был принят на вооружение гальванических команд русской армии, использовавших его для воспламенения минных запалов.

Стремление повысить мощность магнитоэлектрических генераторов привело к увеличению количества постоянных магнитов. Этот путь отражал уже знакомую из истории развития электродвигателей тенденцию: для увеличения мощности соединять несколько элементарных машин в одну. Наибольшее распространение в лабораторной практике 40–50-х годов XIX в. получил магнитоэлектрический генератор немецкого электротехника Э. Штерера (1813–1890 гг. ) с тремя вращающимися постоянными магнитами (1843 г.). Этот генератор использовался учеными (в том числе Э.Х. Ленцем и Б.С. Якоби) для исследования процессов в магнитоэлектрических машинах.

Известный толчок к построению более мощных магнитоэлектрических генераторов дали дуговые лампы с регуляторами, получившие применение на маяках в связи с развитием морского транспорта. Еще в 1849 г. профессор физики Брюссельской военной школы Нолле принялся за построение мощного магнитоэлектрического генератора для установки на маяках, избрав уже проторенный путь комбинирования в одном агрегате большого числа машин. Работы Нолле были продолжены другими учеными, и к 1856 г. машина получила свое конструктивное завершение. Для производства таких генераторов в Париже была организована электропромышленная компания «Альянс» (отсюда произошло и название новой машины). Первая такая машина была установлена на маяке близ г. Гавра.

Рис. 2.19. Магнитоэлектрический генератор Якоби 

В генераторе «Альянс» на чугунной станине были укреплены в несколько рядов подковообразные постоянные магниты, расположенные по окружности и радиально по отношению к валу. В промежутках между рядами магнитов на валу устанавливались диски с большим числом катушек-якорей (рис. 2.20). В изображенной на рис. 2.20 машине было 40 магнитов и 64 стержня (явнополюсных якоря). Различные варианты машины «Альянс» имели разное количество рядов магнитов (три, пять, семь). На валу генератора укреплен коллектор с 16 металлическими пластинами, изолированными друг от друга и от вала машины. В качестве коллекторных щеток служили специальные ролики. В машине впервые было предусмотрено устройство для смещения роликов в зависимости от нагрузки. Перемещение роликов происходило под действием тяг, идущих от центробежного регулятора, который был связан с валом машины.

Рис. 2.20. Общий вид генератора «Альянс»

1 — ряды неподвижных магнитов; 2 — несущие диски с катушками-якорями; 3, 4 — коллектор; 5–7 — устройство для смещения роликовых токоприемников 8, 9 — центробежный регулятор 

В течение 1857–1865 гг. в эксплуатации было около 100 машин «Альянс». Для привода одной такой машины требовался паровой двигатель мощностью 6–10 л.с. Масса шестидисковой машины «Альянс» доходила до 4 т. Есть сведения, что машина «Альянс» получила одобрение М. Фарадея.

Генератор «Альянс» нагляднее, чем другие, меньшие по размерам машины, показал недостатки, присущие вообще магнитоэлектрическим машинам. Материалы и технология производства постоянных магнитов были еще несовершенными. Под действием реакции якоря, в результате естественного старения и возможных вибраций магниты быстро размагничивались, в связи с чем ЭДС генератора уменьшалась и его мощность снижалась. Во всех этих машинах применялись стержневые якоря, имевшие многослойную обмотку. При работе они быстро нагревались вследствие плохого отвода теплоты, что приводило к разрушению изоляции. Масса и габариты магнитоэлектрических генераторов, несмотря на их небольшую мощность, были весьма значительными, и крупные машины были сравнительно дорогими. Принципиальным недостатком машин с явнополюсными якорями явилось то, что они давали резко пульсирующий ток.

Рис. 2.21. Генератор Уайльда 

Второй этап в развитии электрического генератора постоянного тока условно можно обозначить промежутком времени между 1851 и 1867 гг. Этот этап характеризуется преимущественным конструированием генераторов с независимым возбуждением, т.е. с возбуждением электромагнитов от постороннего, независимого источника. Это способствовало значительному улучшению работы генераторов и уменьшению их относительной массы.

Впервые обоснованное указание на целесообразность замены постоянных магнитов электромагнитами дали в начале 50-х годов XIX в. немецкий ученый Вильгельм Зинстеден (1803–1891 гг.) и датский изобретатель Серено Хиорт (1801–1870 гг.), но их идеи и конструкции были настолько необычны и неожиданны, что вначале не привлекли к себе должного внимания.

В качестве характерного примера генератора с электромагнитами, обмотки которых питались токами от независимого источника, может быть указан генератор англичанина Генри Уайльда (1863 г. ). Этот генератор (рис. 2.21) имел П-образный электромагнит 7, для питания которого был приспособлен отдельный возбудитель — небольшой магнитоэлектрический генератор 2. Вместо обычно применявшегося стержневого якоря Г. Уайльд использовал предложенный в 1856 г. крупным немецким электротехником и предпринимателем Вернером Сименсом (1816–1892 гг.) якорь с сердечником двутаврового сечения (так называемый двухТ-образный якорь), который является разновидностью явно-полюсного якоря. Этот якорь имел форму вала с продольными выточками, в которые укладывалась обмотка. Машина с двухТ-образным якорем обладала меньшим магнитным рассеянием, чем со стержневым, но в то же время этот якорь, как и стержневой, имея многослойную обмотку с плохим теплоотводом, сильно нагревался и тем самым ограничивал мощность установки.

Машина Г. Уайльда подготовила конструкторскую мысль к созданию генераторов с самовозбуждением.

Началом третьего этапа в развитии генераторов постоянного тока условно можно считать 1867 г. , когда почти одновременно в разных странах был установлен принцип самовозбуждения. Мы пишем «условно» потому, что одну какую-то дату назвать невозможно; вокруг этого важнейшего в истории электрических машин изобретения разгорелся большой спор о приоритете. На первенство претендовали очень известные ученые и изобретатели. Дело обстояло так.

В январе 1867 г. В. Сименс представил в Берлинскую академию наук доклад, в котором изложил сущность принципа самовозбуждения. В докладе были такие слова: «Однако того небольшого количества магнетизма, которое остается даже в самом мягком железе, достаточно, чтобы при возобновлении вращения снова получить в замкнутой цепи непрерывное возрастание тока. Следовательно, достаточно один раз пропустить ток в цепь обмотки неподвижного магнита, чтобы сделать прибор способным давать ток при каждом возобновлении вращения».

В. Сименс назвал принцип самовозбуждения динамоэлектрическим, а самовозбуждающийся генератор стал с тех пор называться динамомашиной. Впрочем, динамомашиной постепенно стали называть любой машинный генератор постоянного тока. Почти одновременно с В. Сименсом с идеей самовозбуждения выступили и даже получили патенты английские изобретатели Чарльз Уитстон, а также братья Кромвель и Семьюэль Варлей. Но еще задолго до В. Сименса в 1856 г. венгерский физик, профессор Будапештского университета Аньош Йедлик (1800–1895. гг.) [2.17] пришел к выводу о том, что если обмотки возбуждения присоединить к зажимам якоря того же генератора, то при пуске машины развивается процесс самоусиления магнитного поля. Вместе с тем А. Йедлик заметил, что для возникновения этого процесса нет необходимости в установке постоянных магнитов, а вполне достаточно остаточного магнетизма. Так А. Йедлик совершенно сознательно сформулировал не только принцип самоусиления магнитного поля, но и принцип самовозбуждения генератора. В 1861 г. он уже построил самовозбуждающийся генератор.

Работы А. Йедлика были, по-видимому, несколько преждевременными, и, кроме того, он не располагал необходимыми средствами для промышленного изготовления машин в больших масштабах. Иное положение было у В. Сименса: являясь главой фирмы, со временем завоевавшей позиции ведущего мирового электротехнического концерна, он открыл широкую дорогу для производства динамомашин.

Существенным недостатком первых генераторов с самовозбуждением являлась весьма несовершенная конструкция якоря. Так, двухТ-образный якорь В. Сименса не только ограничивал мощность машин из-за быстрого нагрева, вызывал сильное искрение на коллекторе, но и давал резко пульсирующий ток. Этот ток, в свою очередь, вызывал резкую пульсацию магнитного потока и, следовательно, большие потери в стальных сердечниках. В этом отношении двухТ-образный якорь ничем не отличался от стрежневого, поскольку и тот и другой были только разновидностями неудачного явнополюсного исполнения якорей машин постоянного тока. Этот недостаток позднее сумел устранить Фридрих Гефнер-Альтенек.

Событием, революционизировавшим развитие электрической машины и положившим начало промышленной электротехнике, явилось объединение принципа самовозбуждения с конструкцией кольцевого якоря.

Разработка самовозбуждающихся генераторов с кольцевыми и барабанными якорями и развитыми магнитными системами составила основное содержание четвертого этапа в развитии электрических генераторов.

З.Т. Грамм, занимаясь изготовлением электрических машин, стал одним из самых известных французских специалистов в области электромашиностроения и электрического освещения. В июне 1870 г. он получил патент, в котором содержалось описание самовозбуждающегося (в общем случае многополюсного) генератора с кольцевым якорем. На гладкий железный кольцеобразный сердечник наматывалась замкнутая сама на себя обмотка (позднее такую обмотку стали называть граммовской). От равноудаленных точек этой обмотки шли отпайки к коллекторным пластинам. Общий вид одной из конструкций генератора Грамма изображен на рис. 2.22, а.

На станине 1 укреплены электромагниты 2 с полюсными наконечниками 3, между которыми вращается якорь 4; в специальных держателях укреплены щетки, соприкасающиеся с почти современного типа коллектором 5. Якорь приводится во вращение через приводной шкив. Обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря.

Рис. 2.22. Самовозбуждающийся генератор Грамма для питания осветительных установок 

На рис. 2.22, б показана принципиальная схема генератора, а на рис. 2.22, в — конструкция кольцевого якоря. З.Т. Грамм указывал, что сердечник якоря может быть сплошным, а может быть изготовлен из пучка стальных проволок 7, как показано на рисунке; здесь же 2 — катушки обмотки, 3 — коллекторные пластины.

Позднее З.Т. Грамм предложил еще несколько конструкций самовозбуждающихся машин, различных по внешнему виду и мощности, но принципиальных изменений в свою машину он больше не вносил.

Генератор Грамма оказался весьма экономичным источником электрической энергии, позволявшим получать значительные мощности при высоком КПД и сравнительно малых габаритах и массе. Сравнение машины Грамма, например, с машиной «Альянс» показывает, что самовозбуждающийся генератор с кольцевым якорем имел массу на 1 кВт примерно в 6 раз меньшую, чем генератор с постоянными магнитами.

Очевидные преимущества генератора Грамма способствовали тому, что этот генератор быстро вытеснил другие типы и получил очень широкое распространение. В начале 70-х годов принцип обратимости электрических машин был уже хорошо известен, а машина Грамма использовалась как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Таким образом, в начале 70-х годов обе линии развития электрических машин (генератора и двигателя) объединились.

Машина Грамма представляла собой машину постоянного тока современного типа. Однако она нуждалась в определенных усовершенствованиях, которые последовали в 70–80-х годах XIX в.

В 80-х годах XIX в. продолжались исследования процессов в электрических машинах и совершенствование их конструкций. В 1880 г. американский изобретатель Хайрем Максим (1840–1916 гг.) вновь (после А. Пачинотти) предложил зубчатый якорь, а также внутренние каналы для вентиляции. Знаменитый американский электротехник Томас Альва Эдисон (1847–1931 гг.) в 1880 г. получил патент на шихтованный якорь, в котором пластины изолировались листами тонкой бумаги, позднее она была заменена лаком.

С 1885 г. стали применяться шаблонная и компенсационная обмотки, устанавливаться дополнительные полюса.

Огромное значение в совершенствовании проектирования электрических машин сыграли работы Александра Григорьевича Столетова (1839–1896 гг.) по исследованию магнитных свойств «мягкого железа», доказавшего связь магнитной восприимчивости железа с напряженностью магнитного поля.

В 1880 г. немецким физиком Эмилем Варбургом (1846–1931 гг.) было открыто явление гистерезиса и начались исследования магнитных потерь в стали. Английский ученый Джеймс Э. Юинг (1855–1935 гг.) пришел к выводу о «гистерезисном цикле» и предложил прибор для вычерчивания кривых намагничивания. Выдающийся американский электротехник Чарльз Протеус Штейнмец (1865–1923 гг.) предложил эмпирическую формулу для определения потерь на гистерезис. В 1885 г. английский электротехник Джон Гопкинсон сформулировал закон магнитной цепи. Таким образом, к концу 80-х годов электрическая машина постоянного тока приобрела современные конструктивные черты. o \)) в 15.0 мс. Круглая катушка с 200 витками имеет радиус 5,00 см и находится в однородном магнитном поле 0,80 Тл. Что вызвано ЭДС?

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Когда катушка генератора поворачивается на одну четверть оборота, магнитный поток \ (\ Phi_m \) изменяется от максимального до нуля, вызывая ЭДС.

Стратегия

Закон индукции Фарадея используется для нахождения индуцированной ЭДС:

\ [\ epsilon = - N \ frac {d \ Phi_m} {dt}. \]

Мы понимаем эту ситуацию как ту же, что в Примере 13.4.3. Согласно диаграмме, проекция вектора нормали к поверхности \ (\ hat {n} \) на магнитное поле изначально равна \ (cos \, \ theta \), и она вставляется по определению скалярного произведения. Величина магнитного поля и площадь контура фиксируются во времени, что позволяет быстро упростить интеграцию. Индуцированная ЭДС записывается с использованием закона Фарадея:

\ [\ epsilon = NBA \, sin \, \ theta \ frac {d \ theta} {dt}. \]

Решение Нам дано, что \ (N = 200, \) \ (B = 0. {-3} s} = 131 \, V. \]

Значение

Это практическое среднее значение, аналогичное 120 В, используемому в бытовой электросети.

ЭДС, вычисленная в примере \ (\ PageIndex {1} \), является средним значением за четверть оборота. Какова ЭДС в каждый момент времени? Он меняется в зависимости от угла между магнитным полем и перпендикуляром к катушке. Мы можем получить выражение для ЭДС как функции времени, рассматривая ЭДС движения на вращающейся прямоугольной катушке шириной w и высотой l в однородном магнитном поле, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \ ).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Генератор с одной прямоугольной катушкой, вращающейся с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле, создает ЭДС, синусоидально изменяющуюся во времени. Обратите внимание, что генератор похож на двигатель, за исключением того, что вал вращается для выработки тока, а не наоборот.

На заряды в проводах петли действует магнитная сила, потому что они движутся в магнитном поле. Заряды в вертикальных проводах испытывают силы, параллельные проводу, вызывая токи.Но те, кто находится в верхнем и нижнем сегментах, ощущают силу, перпендикулярную проводу, которая не вызывает тока. Таким образом, мы можем найти наведенную ЭДС, рассматривая только боковые провода. Движущаяся ЭДС равна \ (\ epsilon = Blv \), где скорость v перпендикулярна магнитному полю B . Здесь скорость находится под углом \ (\ theta \) к B , так что ее составляющая, перпендикулярная B , равна v sin \ (\ theta \) (см. Рисунок \ (\ PageIndex {2} \) ).Таким образом, в этом случае ЭДС, индуцированная с каждой стороны, равна \ (\ epsilon = Blv \, sin \, \ theta \), и они направлены в одном направлении. Суммарная ЭДС вокруг контура тогда составляет

.

\ [\ epsilon = 2 Blv \, sin \, \ theta. \]

Это выражение допустимо, но оно не дает ЭДС как функцию времени. Чтобы найти зависимость ЭДС от времени, предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью \ (\ omega \). Угол \ (\ theta \) связан с угловой скоростью соотношением \ (\ theta = \ omega t \), так что \ [\ epsilon = 2 Blv \, sin (\ omega t).\]

Итак, линейная скорость v связана с угловой скоростью \ (\ omega \) соотношением \ (v = r \ omega \). Здесь \ (r = \ omega / 2 \), так что \ (v = (\ omega / 2) \ omega \) и

\ [\ epsilon = 2Bl \ frac {\ omega} {2} \ omega \, sin \, \ omega t = (l \ omega) Bw \, sin \, \ omega t. \]

Учитывая, что площадь петли равна \ (A = l \ omega \), и учитывая N петель, мы находим, что

\ [\ epsilon = NBAw \, sin \, (\ omega t). \]

Это ЭДС, индуцированная в катушке генератора N витков и площадью A , вращающейся с постоянной угловой скоростью \ (ω \) в однородном магнитном поле B .Это также можно выразить как

\ [\ epsilon = \ epsilon_0 \, sin \, \ omega t, \] где

\ [\ epsilon_0 = NAB \ omega \]

- это пиковая ЭДС, поскольку максимальное значение \ (sin (\ omega t) = 1 \). Обратите внимание, что частота колебаний равна \ (f = \ omega / 2 \ pi \), а период равен \ (T = 1 / f = 2 \ pi / \ omega \). На рисунке \ (\ PageIndex {3} \) показан график ЭДС как функции времени, и теперь кажется разумным, что переменное напряжение синусоидально.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): ЭДС генератора направляется в лампочку с показанной системой колец и щеток.График показывает ЭДС генератора как функцию времени, где \ (\ epsilon_0 \) - пиковая ЭДС. Период равен \ (T = 1 / f = 2 \ pi / \ omega \), где f - частота.

Тот факт, что пиковая ЭДС равна \ (\ epsilon_0 = NBA \ omega \), имеет смысл. Чем больше катушек, тем больше их площадь и чем сильнее поле, тем больше выходное напряжение. Интересно, что чем быстрее вращается генератор (больше ω), тем больше ЭДС. Это заметно на велосипедных генераторах - по крайней мере, на более дешевых моделях.

На рисунке \ (\ PageIndex {4} \) показана схема, с помощью которой можно заставить генератор вырабатывать импульсный постоянный ток. Более сложные конструкции из нескольких катушек и разъемных колец могут обеспечить более плавный постоянный ток, хотя для создания постоянного тока без пульсаций обычно используются электронные, а не механические средства.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Разделенные кольца, называемые коммутаторами, в этой конфигурации выдают импульсный выходной сигнал ЭДС постоянного тока.

В реальной жизни электрические генераторы сильно отличаются от рисунков в этом разделе, но принципы те же.Источником механической энергии, вращающей катушку, может быть падающая вода (гидроэнергетика), пар, образующийся при сжигании ископаемого топлива, или кинетическая энергия ветра. На рисунке \ (\ PageIndex {5} \) показан разрез паровой турбины; пар движется по лопастям, соединенным с валом, который вращает катушку внутри генератора. Производство электрической энергии из механической энергии - основной принцип всей энергии, которая направляется через наши электрические сети в наши дома.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Паровая турбина / генератор. Пар, образующийся при сжигании угля, ударяется о лопатки турбины, вращая вал, который соединен с генератором.

Генераторы, показанные в этом разделе, очень похожи на двигатели, показанные ранее. Это не случайно. Фактически, двигатель становится генератором, когда его вал вращается. В некоторых ранних автомобилях стартер использовался в качестве генератора. В следующем разделе мы подробнее исследуем действие двигателя как генератора.

Задний Emf

Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую, а двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую.Таким образом, неудивительно, что двигатели и генераторы имеют одинаковую общую конструкцию. Двигатель работает, посылая ток через проволочную петлю, находящуюся в магнитном поле. В результате магнитное поле оказывает крутящий момент на петлю. Это вращает вал, тем самым извлекая механическую работу из первоначально подаваемого электрического тока. (См. Сила и крутящий момент на токовой петле для обсуждения двигателей, которое поможет вам лучше понять их, прежде чем продолжить. )

Когда катушка двигателя вращается, магнитный поток через катушку изменяется, и индуцируется ЭДС (в соответствии с законом Фарадея).Таким образом, двигатель действует как генератор всякий раз, когда его катушка вращается. Это происходит независимо от того, поворачивается ли вал под действием внешнего воздействия, например ременной передачи, или под действием самого двигателя. То есть, когда двигатель выполняет работу и его вал вращается, возникает ЭДС. Закон Ленца говорит нам, что ЭДС противодействует любому изменению, так что входной ЭДС, питающей двигатель, противостоит самогенерируемая ЭДС двигателя, называемая обратной ЭДС двигателя (Рисунок \ (\ PageIndex {6} \)). .

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Катушка двигателя постоянного тока представлена ​​на этой схеме как резистор.Обратная ЭДС представлена ​​как переменная ЭДС, которая противодействует ЭДС, приводящей в движение двигатель. Обратная ЭДС равна нулю, когда двигатель не вращается, и увеличивается пропорционально угловой скорости двигателя.

Выходная мощность генератора двигателя - это разница между напряжением питания и обратной ЭДС. При первом включении двигателя обратная ЭДС равна нулю, что означает, что катушка получает полное управляющее напряжение, а двигатель потребляет максимальный ток, когда он включен, но не вращается. По мере того, как двигатель вращается быстрее, обратная ЭДС возрастает, всегда противодействуя управляющей ЭДС, и снижает как напряжение на катушке, так и величину потребляемого ею тока.Этот эффект заметен во многих обычных ситуациях. Когда пылесос, холодильник или стиральная машина включается в первый раз, свет в той же цепи на короткое время тускнеет из-за падения IR в питающих линиях из-за большого тока, потребляемого двигателем.

Когда двигатель запускается впервые, он потребляет больше тока, чем при нормальной рабочей скорости. Когда на двигатель оказывается механическая нагрузка, например, электрическая инвалидная коляска, движущаяся в гору, двигатель замедляется, обратная ЭДС падает, течет больше тока и можно выполнять больше работы. 2R) \), возможно даже выгорание. С другой стороны, если на двигатель нет механической нагрузки, он увеличивает свою угловую скорость ω до тех пор, пока обратная ЭДС не станет почти равной управляющей ЭДС. Тогда двигатель использует достаточно энергии только для преодоления трения.

Вихревые токи в железных сердечниках двигателей могут вызывать серьезные потери энергии. Их обычно сводят к минимуму, собирая сердечники из тонких электрически изолированных листов железа. На магнитные свойства сердечника практически не влияет ламинация изолирующего листа, в то время как резистивный нагрев значительно снижается.2R = 5,76 \, кВт \) энергии в виде теплообмена. При нормальных условиях эксплуатации для этого двигателя предположим, что противоэдс составляет 40,0 В. Тогда при рабочей скорости полное напряжение на катушках составляет 8,0 В (48,0 В минус противоэдс 40,0 В), а потребляемый ток равен

.

\ [I = V / R = (8.0 \, V) / (0.400 \, \ Omega) = 20 \, A. \]

При нормальной нагрузке рассеиваемая мощность равна \ (P = IV = (20 \, A) (8. 0 \, V) = 160 \, W \). Это не создает проблем для этого мотора, тогда как у прежнего 5.76 кВт сожгли бы катушки, если бы продолжали работать.

Двигатель с последовательной обмоткой в ​​работе

Полное сопротивление \ ((R_f + R_a) \) двигателя постоянного тока с последовательной обмоткой равно \ (2.0 \, \ Omega \) (рисунок \ (\ PageIndex {7} \)). При подключении к источнику 120 В \ ((\ epsilon_S) \) двигатель потребляет 10 А при работе с постоянной угловой скоростью. (а) Какая обратная ЭДС индуцируется во вращающейся катушке \ (\ epsilon_i \)? б) Какова механическая мощность двигателя? (c) Какая мощность рассеивается на сопротивлении катушек? (d) Какова выходная мощность источника 120 В? (e) Предположим, что нагрузка на двигатель увеличивается, заставляя его замедляться до точки, в которой он потребляет 20 А.Ответьте на вопросы от (a) до (d) в этой ситуации.

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Представление схемы последовательно включенного двигателя постоянного тока.

Стратегия

Обратная ЭДС рассчитывается на основе разницы между подаваемым напряжением и потерями из-за тока через сопротивление. Мощность каждого устройства рассчитывается по одной из формул мощности на основе данной информации.

Решение

  1. Обратная ЭДС равна \ [\ epsilon_i = \ epsilon_S - I (R_f + RE_a) = 120 \, V - (10 \, A) (2.2 \, W. \]

    HSC Physics - Motors and Generators Notes - краткое содержание курса

    HSC Physics - Motors and Generators Примечания

    Это набор точечных сводных заметок HSC Physics для двигателей и генераторов. Репетиторство по физике HSC в Dux College предоставляет студентам необходимую поддержку для достижения результата 6 балла по HSC Physics.

    Двигатель

    Проводники и магнитные поля

    Магнитное поле вокруг проводника

    Круговое магнитное поле создается вокруг проводника с током. Чтобы определить направление этой круговой силы, мы используем правило для правой руки . Напомним, что точки представляют собой магнитное поле за пределами страницы, а крестики представляют собой магнитное поле на странице.

    Сила, действующая на проводник во внешнем магнитном поле

    Поскольку проводник с током генерирует собственное магнитное поле, это магнитное поле может взаимодействовать с внешним магнитным полем, создавая силу на проводнике. Чтобы определить направление силы, мы использовали правило для правой руки (F на ладони, B на пальцах, I большой палец).Это правило также можно использовать для определения силы, действующей на пучок движущихся зарядов.

    Величина силы зависит от нескольких факторов:

    Где

    • - сила внешнего магнитного поля, в теслах
    • - ток в проводнике, в Амперах
    • - длина проводника в магнитном поле, в метрах
    • - угол между силовыми линиями магнитного поля и направлением тока.

    Из уравнения видно, что сила, действующая на проводник с током, прямо пропорциональна силе внешнего магнитного поля, величине тока и соответствующей длине проводника. Сила не будет существовать на проводнике, если проводник параллелен магнитному полю (т.е.). В противном случае наибольшая сила на проводнике возникает, когда угол между током и магнитным полем составляет 90 °.

    Сила между токоведущими параллельными проводниками

    Сила между проводниками существует потому, что магнитное поле из-за тока в каждом проводнике взаимодействует с магнитным полем из-за тока в другом проводнике.Направление силы (притяжения или отталкивания) зависит от относительного направления двух токов. Помните:

    Текущее направление То же напротив
    Усилие Аттракцион Отталкивание

    Отвечая на эти типы экзаменационных вопросов, не забудьте в поле указать направление силы (притяжение или отталкивание).

    Количественно сила между двумя проводниками прямо пропорциональна токам в проводниках и общей длине (). Оно обратно пропорционально расстоянию между ними. Константа пропорциональности - это постоянная магнитной силы (обозначенная в стандартной таблице формул HSC как).

    Математически мы можем написать:

    Момент

    Крутящий момент - это крутящий момент силы в точке поворота. Другими словами, это сила в направлении скручивания в точке скручивания.Это произведение тангенциальной составляющей силы () и расстояния, на которое сила приложена от оси вращения.

    Моторный эффект

    Электрические токи в проводниках создают магнитные поля. Если эти проводники находятся внутри внешнего магнитного поля (например, создаваемого постоянными магнитами), они действительно могут начать двигаться. Это движение вызвано взаимодействием между магнитным полем, индуцированным проводником, и внешним магнитным полем.Именно это движение проводников с током внутри магнитных полей называется моторным эффектом и является принципом электродвигателей, отсюда и название.

    Катушка в магнитном поле

    Катушка в магнитном поле может вращаться под действием двигателя.

    Предположим, для простоты обсуждения, что ось вращения прямоугольной катушки перпендикулярна магнитному полю, и что длинные стороны катушки параллельны оси и равноудалены от нее.

    На каждую длинную сторону катушки действует сила, величина которой не меняется при вращении катушки, поскольку стороны всегда остаются перпендикулярными полю. Эта сила задается. Можно показать, что сила на каждой длинной стороне всегда в одном и том же направлении на протяжении всего вращения катушки, противоположна направлению силы на другой длинной стороне и всегда перпендикулярна оси.

    Сила на каждой длинной стороне создает крутящий момент вокруг оси. Поскольку силы имеют противоположные направления, а их линии действия находятся на противоположных сторонах оси, они создают крутящий момент в том же направлении.Таким образом, их действие - вращать катушку вокруг своей оси. Чистый крутящий момент максимален, когда плоскость катушки параллельна полю, поскольку перпендикулярное расстояние, до линии действия является максимальным и уменьшается до нуля, когда плоскость катушки вращается перпендикулярно полю. . Направление крутящего момента меняется при полном вращении катушки, поэтому катушка не совершит оборот (если нет переключающего устройства, такого как коммутатор с разъемным кольцом).

    Для прямоугольной катушки с осью вращения, перпендикулярной внешнему магнитному полю, общий крутящий момент составляет:

    Где

    Электродвигатель постоянного тока

    Электродвигатель - это устройство, преобразующее электрическую потенциальную энергию в кинетическую энергию вращения.Электродвигатели создают вращательное движение, пропуская ток через катушку в магнитном поле. Двигатель постоянного тока - это распространенный тип электродвигателя, который питается от постоянного тока. Это приложение моторного эффекта.

    Деталь Описание Роль в двигателе
    Катушки В очень простом двигателе может быть только одна или несколько катушек, обычно из нескольких витков изолированного провода, намотанных на якорь. Концы катушек соединены с перемычками на коммутаторе. Катушки обеспечивают крутящий момент, поскольку ток, проходящий через катушки, взаимодействует с магнитным полем. Поскольку катушки жестко закреплены на роторе, любой крутящий момент, действующий на катушки, передается на ротор, а затем на ось.
    Постоянные магниты Два постоянных магнита на противоположных сторонах двигателя с противоположными полюсами, обращенными друг к другу, поверхности полюсов изогнуты, чтобы соответствовать якорю и обеспечивать радиальное магнитное поле. Магниты создают магнитное поле , которое взаимодействует с током в якоре, создавая моторный эффект. Вместо постоянных магнитов можно использовать пару электромагнитов.

    Коммутатор с разъемным кольцом Коммутатор представляет собой широкое металлическое кольцо, установленное на оси на одном конце якоря и разрезанное на четное количество отдельных стержней (2 в простом двигателе). Каждая противоположная пара стержней соединена с одним набором катушек. Коммутатор обеспечивает точки контакта между обмотками ротора и внешней электрической цепью. Он служит для обратного направления тока в каждой катушке каждые полоборота двигателя. Это гарантирует, что крутящий момент на каждой катушке всегда будет в одном направлении.
    Щетки Сжатые угольные блоки, подключенные к внешней цепи, установленные на противоположных сторонах коллектора и подпружиненные для плотного контакта со стержнями коллектора.Графит, который используется в щетках, представляет собой форму углерода, которая проводит электричество, а также используется в качестве смазки. Щетки представляют собой электрические контакты фиксированного положения между внешней цепью и катушками ротора. Их положение приводит их в контакт с обоими концами каждой катушки одновременно, поскольку каждая катушка расположена под прямым углом к ​​полю, чтобы максимизировать крутящий момент.
    Ось Цилиндрический стержень из закаленной стали, проходящий через центр якоря и коммутатор Это обеспечивает центр вращения для движущихся частей.Полезная работа может быть снята с мотора через ось.
    Якорь Якорь состоит из цилиндра из многослойного железа, установленного на оси. Часто встречаются продольные пазы, в которые намотаны катушки. Якорь несет катушки ротора. Железный сердечник значительно концентрирует внешнее магнитное поле, увеличивая крутящий момент на якоре. Пластины уменьшают вихревые токи, которые в противном случае могут привести к перегреву якоря.
    Статор Статор описывает все, что связано с корпусом. Это часть, в которой находятся все остальные части двигателя, и она не движется. Статор включает в себя магниты, кожух и щетки двигателя постоянного тока. Статор вмещает двигатель постоянного тока, предотвращая попадание пыли или посторонних предметов во вращение двигателя.
    Ротор Ротор описывает все, что связано с осью, которая вращается вместе с ним.Ротор включает в себя основные катушки, коммутатор и якорь двигателя постоянного тока. Ротор вращается вместе со всем, что к нему подключено, производя кинетическую энергию из электрической энергии.

    Применение моторного эффекта

    Гальванометр

    Гальванометр - это прибор, используемый для измерения величины и направления малых токов постоянного тока .

    Катушка состоит из множества витков проволоки и соединена последовательно с остальной частью цепи, так что ток в цепи течет через катушку.Когда ток течет, катушка испытывает силу из-за наличия внешнего магнитного поля (моторный эффект).

    Игла вращается до тех пор, пока магнитная сила, действующая на катушку, не уравновесится уравновешивающей пружиной. Поскольку сила пропорциональна току, протекающему через катушку (), положение иглы является точным показателем того, сколько тока проходит через катушки.

    Обратите внимание, что магниты вокруг сердечника изогнуты. Это приводит к радиальному магнитному полю; плоскость катушки всегда будет параллельна магнитному полю, и крутящий момент будет постоянным независимо от того, насколько сильно катушка отклонена.Это также означает, что шкала гальванометра является линейной, а величина отклонения пропорциональна току, протекающему через катушку, что обеспечивает точность измерений.

    Громкоговоритель

    Громкоговорители - это устройства, преобразующие электрическую энергию в энергию звука. Громкоговоритель состоит из круглого магнита, у которого один полюс находится снаружи, а другой - внутри. Например, на диаграмме ниже показано, что центральный магнит имеет Юг, а боковые магниты - Север.

    Катушка с проводом (известная как звуковая катушка) находится в пространстве между полюсами. Звуковая катушка подключена к выходу усилителя. Усилитель вырабатывает ток, который меняет направление с той же частотой, что и звук, который должен воспроизводиться. Ток также изменяется по величине пропорционально амплитуде звука. Звуковая катушка заставлена ​​вибрировать вокруг магнитов моторным эффектом .

    Звуковая катушка подключена к бумажному диффузору динамика, который создает звуковые волны в воздухе при его вибрации.Когда величина тока увеличивается, увеличивается и сила, действующая на катушку. Когда сила, действующая на катушку, увеличивается, она перемещается больше, и производимый звук становится громче.

    Генерация электрического напряжения

    Открытие Майкла Фарадея

    В 1831 году Майкл Фарадей обнаружил, что ток может быть индуцирован внутри проводника , если на проводник действует движущееся магнитное поле. В качестве альтернативы, тот же эффект возникает, когда проводник движется относительно магнитного поля.

    В своем первом успешном эксперименте Фарадей намеревался создать и зарегистрировать ток в катушке с проволокой по наличию магнитного поля, создаваемого другой катушкой. Бухты разделялись шпагатом. Одна катушка была подключена к гальванометру, а другая - к батарее. Когда цепь батареи была замкнута, Фарадей заметил «внезапный и очень слабый эффект на гальванометр». Фарадей наблюдал небольшой кратковременный ток, который возник в цепи гальванометра. Подобный эффект был также произведен, когда ток в цепи батареи был остановлен, но кратковременное отклонение стрелки гальванометра было в противоположном направлении.

    В следующем эксперименте Фарадей использовал кольцо из мягкого железа. Он намотал первичную катушку с одной стороны и подключил ее к батарее и переключателю. Он намотал вторичную обмотку с другой стороны и подключил ее к гальванометру.

    Когда ток был установлен в первичной обмотке, стрелка гальванометра немедленно отреагировала, как заявил Фарадей, «до степени, намного превышающей то, что было описано, когда использовались спирали без железного сердечника, но хотя ток в первичной обмотке был продолжал, эффект не был постоянным ».

    Когда ток в первичной катушке был остановлен, стрелка гальванометра двигалась в противоположном направлении. Он пришел к выводу, что при изменении магнитного поля первичной катушки во вторичной катушке индуцировался ток.

    Магнитный поток

    Магнитный поток - это название магнитного поля, проходящего через данную область. Ему присвоено условное обозначение Ф B . В единицах СИ Ф B измеряется в Веберах (Вб).Если конкретная область A перпендикулярна однородному магнитному полю с напряженностью B, то магнитный поток является произведением B и A.

    Сила магнитного поля B также известна как плотность магнитного потока. Это количество магнитного потока, проходящего через единицу площади. В единицах СИ величина B измеряется в теслах (Тл) или Веберах на квадратный метр ().

    Закон индукции Фарадея

    Электромагнитная индукция - это создание ЭДС в проводнике, когда он движется относительно магнитного поля или находится в изменяющемся магнитном поле. Такая ЭДС известна как индуцированная ЭДС . В замкнутой проводящей цепи ЭДС вызывает ток, известный как индуцированный ток.

    Для прохождения тока через гальванометр в экспериментах Фарадея должна быть ЭДС. Фарадей отметил, что для возникновения ЭДС должно быть изменяющееся магнитное поле. Величина, которая менялась в каждом случае, представляла собой величину магнитного потока, пронизывающего вторичную катушку, которая подключена к гальванометру. Скорость изменения магнитного потока определяет величину генерируемой ЭДС.Это дает закон индукции Фарадея:

    .

    Индуцированная ЭДС в цепи равна по величине скорости, с которой магнитный поток через цепь изменяется со временем.

    Математически закон Фарадея выражается как:

    Если на катушке есть витки проволоки, ЭДС, индуцированная изменением магнитного потока, пронизывающего катушку, будет в разы больше, чем возникающая, если бы в катушке был только один виток проволоки.

    Закон Ленца, обратная ЭДС и вихревые токи

    Закон Ленца

    Индуцированная ЭДС всегда вызывает ток, который создает магнитное поле, которое противодействует исходному изменению потока через цепь.

    Это следствие принципа сохранения энергии. Знак минус в законе индукции Фарадея помещен там, чтобы напомнить нам о направлении индуцированной ЭДС.

    Задний ЭДС

    Обратная ЭДС - это электродвижущая сила, противодействующая основному току, протекающему в цепи. Когда катушка двигателя вращается, в катушке индуцируется обратная ЭДС из-за ее движения во внешнем магнитном поле. Электродвигатели используют входное напряжение (первичная ЭДС) для создания тока в катушке, чтобы катушка вращалась во внешнем магнитном поле.

    Однако противоположная ЭДС индуцируется в катушке, вращающейся во внешнем магнитном поле. ЭДС возникает из-за того, что величина магнитного потока, пронизывающего катушку, постоянно изменяется по мере ее вращения. ЭДС, индуцированная в катушке двигателя, когда он вращается во внешнем магнитном поле, имеет направление, противоположное входному напряжению или ЭДС питания. Если бы это было не так, ток увеличивался бы, и катушка двигателя двигалась бы все быстрее и быстрее, нарушая закон сохранения энергии.

    Индуцированная ЭДС, создаваемая вращением катушки двигателя, известна как обратная ЭДС, потому что она равна в направлении, противоположном току питания. Когда двигатель неподвижен, обратная ЭДС равна 0. По мере раскрутки двигателя обратная ЭДС увеличивается до тех пор, пока она не станет примерно равной входной ЭДС от входного напряжения.

    Вихревые токи

    Вихревой ток - это круговой ток, индуцируемый в проводнике в изменяющемся магнитном поле.

    Наведенные токи возникают в проводах, катушках, железных сердечниках трансформаторов и во всех других проводниках, подверженных изменяющимся магнитным полям.Всего:

    • Когда на часть металлического объекта действует магнитное поле, и существует относительное движение между магнитным полем и объектом
    • Когда проводник движется во внешнем магнитном поле
    • Когда металлический объект подвергается воздействию изменяющегося магнитного поля

    Вихревые токи - это применение закона Ленца. Магнитные поля, создаваемые вихревыми токами, противодействуют изменениям магнитного поля, действующего в областях металлических предметов.

    Применение электромагнитной индукции

    Индукционные варочные панели

    Вихревые токи могут вызвать повышение температуры металла. Это происходит из-за столкновений между движущимися носителями заряда и атомами металла, а также из-за прямого перемешивания атомов магнитным полем, меняющим направление с высокой частотой.

    В индукционных варочных панелях

    используются индукционные катушки, подключенные к источнику переменного тока, которые создают быстро меняющееся магнитное поле.Эти катушки находятся под изолирующей керамической пластиной, на которой стоит металлическая кастрюля или кухонная посуда.

    Быстро меняющееся магнитное поле индуцирует сильные вихревые токи в металлической посуде, которые нагревают посуду за счет джоулевого нагрева.

    Этот нагрев посуды затем нагревает пищу внутри нее за счет кондуктивных и конвекционных токов, более эффективно, чем в обычных электрических или газовых плитах, которые теряют энергию из-за уходящего тепла. Поскольку индукционные варочные панели создают вихревые токи в проводящей посуде, их нельзя использовать для нагрева стекла или других непроводящих веществ.Индукционные варочные панели намного более энергоэффективны и чисты, но могут быть опасными, поскольку любой металлический предмет, удерживаемый рядом с варочной панелью, может быстро нагреться, вызывая ожоги, если кто-то удержит его.

    Электромагнитное торможение

    Рассмотрим металлический диск, на часть которого действует внешнее магнитное поле. Поскольку диск сделан из металла, движение металла через область магнитного поля вызывает протекание вихревых токов. Вихревые токи внутри магнитного поля будут течь в таком направлении, что связанное с ним магнитное поле создает силу посредством своего взаимодействия, которое противостоит исходному движению , вызывающему вихревые токи.Таково следствие закона Ленца и принципа электромагнитного торможения.

    Электромагнитное торможение используется для плавного, равномерного торможения вращающегося или скользящего металлического диска или рельса, например, в аттракционах, трамваях и поездах. Принцип одинаков как для скользящих, так и для вращающихся объектов.

    Генераторы и производство энергии

    Детали генератора

    Генератор - это устройство , преобразующее механическую кинетическую энергию в электрическую энергию .В своей простейшей форме генератор состоит из катушки с проволокой, которая вынуждена вращаться вокруг оси в магнитном поле.

    Основное конструктивное различие между простым генератором переменного тока и двигателем постоянного тока состоит в том, что коммутатор с разъемным кольцом в двигателе постоянного тока заменен коммутаторами с контактным кольцом. Если бы в генераторе использовались коммутаторы с разъемным кольцом, он генерировал бы постоянный ток.

    Как это работает

    По мере вращения катушки величина магнитного потока, пронизывающего область катушки, изменяется.Этот изменяющийся магнитный поток индуцирует изменяющуюся ЭДС на концах провода, составляющего катушку. Это соответствует закону индукции Фарадея. Когда катушка генератора вынуждена вращаться с постоянной скоростью, поток, пронизывающий катушку, и ЭДС, создаваемая на концах провода, меняются со временем. ЭДС является наибольшей, когда плоскость катушки перпендикулярна линиям магнитного потока, и наименьшей, когда плоскость перпендикулярна потоку.

    Для определения направления тока

    Чтобы определить направление генерируемого тока, примените к катушке закон Ленца.Для этого определите, каким образом поток, протекающий через катушку, изменяется в данный момент (т.е. становится ли эффективная площадь катушки больше или меньше? Если площадь катушки увеличивается в этот момент, индуцированный ток будет противодействовать магнитный поток. Если площадь катушки уменьшается, индуцированный ток будет поддерживать магнитный поток). Ток, индуцированный в катушке, будет создавать магнитное поле, которое противодействует изменению потока через катушку.

    Деталь Описание Роль в двигателе
    Катушки То же, что и двигатель постоянного тока. Вместо того, чтобы пропускать через катушку внешний ток, генератор переменного тока индуцирует ток в своих катушках по закону Ленца, поскольку ротор заставляет вращаться внешним источником кинетической энергии. Этот индуцированный ток - это то, что выдает генератор.
    Постоянные магниты То же, что и двигатель постоянного тока. То же, что и двигатель постоянного тока.
    Коммутатор контактных колец Коммутатор с контактными кольцами состоит из двух параллельных колец, каждое из которых прикреплено к одному концу катушки.Эти коммутаторы обеспечивают электрический контакт с внешней цепью через угольные щетки. Генератор переменного тока генерирует ЭДС и передает эту ЭДС во внешнюю цепь через свои контактные коммутаторы. В отличие от коммутаторов с разъемным кольцом, коммутаторы с контактным кольцом не позволяют переключать направления тока.
    Щетки То же, что и двигатель постоянного тока. То же, что и двигатель постоянного тока.
    Ось То же, что и двигатель постоянного тока. Вместо вывода кинетической энергии, внешняя кинетическая энергия вводится посредством поворота оси генератора переменного тока.
    Якорь То же, что и двигатель постоянного тока. То же, что и двигатель постоянного тока.
    Статор То же, что и двигатель постоянного тока. То же, что и двигатель постоянного тока.
    Ротор То же, что и двигатель постоянного тока. Ротор вращается за счет внешней кинетической энергии.

    Сравнение генераторов переменного и постоянного тока

    В генераторе переменного тока щетки работают на контактных кольцах , которые поддерживают постоянное соединение между вращающейся катушкой и внешней цепью. Это означает, что создаваемое напряжение во внешней цепи изменяется как синусоида.

    В генераторе постоянного тока щетки работают на коммутаторе с разъемным кольцом , который меняет местами соединение между катушкой и внешней цепью на каждые пол-оборота катушки. Это означает, что по мере того как наведенная ЭДС меняет полярность с каждым полувитком катушки, напряжение во внешней цепи колеблется от нуля до максимума, в то время как ток течет в одном постоянном направлении.

    Генераторы

    переменного и постоянного тока вырабатывают очень разную электроэнергию, поэтому каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

    Преимущество AC Недостаток АС
    • Возможность повышения выходного напряжения для эффективной передачи и пониженного для домашнего использования. Передача высокого напряжения для электроэнергии переменного тока сводит к минимуму потери энергии из-за тепловых эффектов.
    • Генераторы переменного тока
    • имеют на движущихся частей меньше , их легче и дешевле обслуживать. Они производят меньше трения, тепла и шума, легче и эффективнее генераторов постоянного тока.
    • Они на компактнее , чем генераторы постоянного тока эквивалентной мощности, поскольку их конструкция более эффективна и меньше вероятность перегрева.
    • Коммутаторы с контактным кольцом
    • обеспечивают лучший электрический контакт, и, следовательно, может потреблять намного более высокие токи от генератора переменного тока, чем от генератора постоянного тока.
    • Выход генератора переменного тока должен быть постоянно экранирован, чтобы энергия не передавалась в окружающую среду из-за индукции, поскольку переменный ток всегда колеблется и, следовательно, вызывает изменение магнитного потока, которое может вызвать вихревые токи в металлах поблизости.
    • Высокое напряжение AC излучает радиоволны , которые могут создавать помехи другим средствам радиоволновой связи (например, мобильным телефонам, радиостанциям). Это тоже еще один источник потерь энергии.
    • AC опаснее постоянного тока. Разряды переменного тока с большей вероятностью могут вызвать смерть или серьезные травмы из-за его воздействия на сердце и диафрагму легких.
    • AC необходимо сначала выпрямить, прежде чем его можно будет использовать со многими бытовыми приборами, работающими от постоянного тока. Например, компьютеры, электрические зубные щетки, зарядные устройства для мобильных телефонов и т. Д.

    Преимущества DC Недостатки ДК
    Генераторы постоянного тока такие же, как двигатели постоянного тока
    • , но используется наоборот. Поэтому они универсальны и могут использоваться в качестве двигателя или генератора без необходимости модификации.
    • Электричество постоянного тока на с меньшей вероятностью может вызвать смерть или серьезную травму, в отличие от переменного тока, который может вызвать сердечный приступ.
    • Электроэнергия постоянного тока не требует исправления перед использованием во многих бытовых приборах, таких как компьютеры, зарядные устройства и электрические зубные щетки.

    Коммутатор в генераторе постоянного тока подвержен износу
    • и более подвержен поломке. Генераторы постоянного тока также не так надежны из-за искрения и износа коммутаторов с разъемным кольцом.
    • Искра , вызванная коммутатором с разъемным кольцом, создает сильные радиоволны, а также озон, который является раздражающим газом.
    • Поскольку напряжение постоянного тока не может быть повышено с помощью трансформаторов, электроэнергия, произведенная генераторами постоянного тока, будет подвергаться большим потерям энергии при передаче на большие расстояния.

    Основным недостатком преобразования постоянного тока в переменный является невозможность увеличения напряжения постоянного тока для передачи на большие расстояния. В результате электростанции вырабатывают переменный ток, поскольку электричество переменного тока может передаваться на большие расстояния с минимальными потерями мощности.

    Потери энергии при передаче

    Энергетические потери из

    Напомню из предварительного курса, что. Из этого уравнения можно выделить два фактора, определяющих потери энергии при передаче электроэнергии:

    • Сопротивление проводов
    • Ток в проводах

    Сопротивление проводов ограничивается материалами, выбранными для изготовления проводов передачи. Линии передачи на большие расстояния обычно изготавливаются из алюминия, что является хорошим балансом между электропроводностью, легким весом Al и относительно низкой стоимостью.

    Ток в проводах можно регулировать с помощью повышающих трансформаторов. Из уравнения видно, что минимизируя ток, протекающий по проводам, мы минимизируем потери мощности.

    Обычно электричество передается при высоком напряжении до 500 кВ. Поскольку максимальное напряжение минимизирует ток (за счет сохранения энергии). Повышающие трансформаторы используются для максимального увеличения напряжения передачи, и поэтому электричество передается как переменный ток.

    Энергетические потери в трансформаторах

    В трансформаторе возникают дополнительные потери, в основном из-за электромагнитной индукции, вызывающей вихревые токи в железных сердечниках внутри трансформатора.Мало того, что индукция вихревых токов неэффективна из-за того, что для их создания использовалась ЭДС, но и возникающие в результате вихревые токи нагревают железный сердечник и, следовательно, катушки трансформатора, увеличивая их сопротивление.

    Потери энергии в трансформаторах могут быть минимизированы за счет ламинирования стального сердечника и использования охлаждающих вентиляторов для охлаждения трансформатора.

    Потери энергии из-за излучения радиоволн

    Быстрое переключение направления тока в переменном токе заставляет линии передачи действовать как огромная радиоантенна, излучающая радиоволны с той же частотой, что и переменный ток. В Австралии переменный ток передается с частотой 50 Гц, в результате чего линии передачи излучают радиоволны с частотой 50 Гц. Это еще один источник потерь энергии при передаче электроэнергии, который может нарушить определенную радиосвязь.

    Воздействие генераторов переменного тока на общество и окружающую среду

    Влияние на общество
    Генерация переменного тока

    и ее способность изменять напряжение с помощью трансформаторов оказали положительное влияние на общество.

    Мощность переменного тока

    может передаваться на большие расстояния с минимальными потерями мощности, так как его напряжение можно повышать и понижать с помощью трансформаторов.Это означает, что производство электроэнергии может происходить вдали от городских районов, ограничивая загрязнение вблизи населенных пунктов. Производство электроэнергии также может быть расположено рядом с природными ресурсами, такими как угольные шахты, снижает стоимость электроэнергии на . Генерация переменного тока также может осуществляться в большом масштабе , а затем распределяться на большие расстояния среди множества людей. Это приводит к экономии за счет масштаба , что приводит к более дешевой электроэнергии. Снижение стоимости электроэнергии повысило уровень жизни всего населения, сделав ее доступной для большего числа людей.

    Универсальность переменного тока, которую можно повышать или понижать и выпрямлять для получения постоянного тока, привела к разработке бытовой техники, которая повысила наше удобство в повседневной жизни. Например, стиральные машины сокращают потребность в ручном труде при стирке дома, холодильники дольше сохраняют наши продукты свежими, а кондиционеры и обогреватели обеспечивают нам комфорт. Промышленность может использовать электроэнергию, доставляемую на большие расстояния, в больших масштабах для питания тяжелой техники .

    С отрицательной стороны, атмосферное Загрязнение из-за побочных продуктов сжигания угля на электростанциях чрезвычайно возросло, поскольку за последние годы увеличился спрос на электроэнергию. Загрязнение неблагоприятно для нашего здоровья и может попасть в пищевую цепочку через сельскохозяйственные культуры, водный или сельскохозяйственный скот. Повсеместное использование AC увеличило нашу зависимость от сырой нефти продуктов, что подвергает нас риску политических событий, таких как война на Ближнем Востоке, или других экономических факторов, которые могут повлиять на цену сырой нефти.По мере продвижения в будущее цены на сырую нефть будут расти, что приведет к увеличению стоимости электроэнергии, производимой из сырой нефти.

    Воздействие на окружающую среду

    Воздействие на окружающую среду в результате разработки генераторов переменного тока и повсеместного использования электроэнергии было в целом отрицательным.

    За счет размещения производства электроэнергии вдали от населенных пунктов уровень загрязнения вблизи городов был снижен на . Крупномасштабное производство электроэнергии более эффективно, чем мелкие генераторы, разбросанные по городам. Повышенная эффективность снижает выбросы загрязняющих веществ на единицу произведенной электроэнергии. Наконец, дешевая и повсеместная доступность электроэнергии позволила ученым и инженерам разработать технологии, которые могут привести к появлению возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии, энергии ветра), экологически чистых автомобилей (например, гибридных автомобилей, электромобилей) и способов решения изменение климата.

    Тем не менее, выбросы диоксида карбиона в результате крупномасштабного производства электроэнергии вносят значительный вклад в глобальное потепление .Актуальный вопрос современной мировой политики - это вопрос о том, как бороться с изменением климата из-за десятилетий загрязнения от транспортных средств, промышленности и производства электроэнергии.

    Помимо загрязнения атмосферы, электростанции сбрасывают тепловых загрязнений в виде теплой воды в естественные водотоки. Это отрицательно влияет на водные организмы, уменьшая растворенный кислород в воде, или давая ложные сигналы видам рыб, или убивая организмы в пищевой цепи, влияя на высшие организмы в этой цепи.

    Есть опасения по поводу рисков для здоровья людей, живущих вблизи высоковольтных линий электропередачи. Разработка схем гидроэлектроэнергии для выработки электроэнергии переменного тока серьезно повлияла на определенные области окружающей среды, требуя создания огромных плотин, затопления лесов, долин и даже городов.

    Вестингауз против Эдисона

    Westinghouse и Edison напрямую соревновались в поставках электричества в города. Эдисон, который разработал первые устройства для питания постоянного тока (e.г. лампочки и двигатели постоянного тока), спланировали электросеть постоянного тока и отстаивали постоянный ток как решение для энергоснабжения городов. Вестингауз работал с Теслой, который разработал систему распределения переменного тока, преимущество которой заключалось в возможности манипулировать напряжением тока в процессе.

    Преимущества DC Преимущества AC
    • DC был безопаснее . Поражение электрическим током постоянного тока с меньшей вероятностью приведет к летальному исходу, поскольку оно не оказало особого воздействия на сердце.Напротив, поражение электрическим током от переменного тока может нарушить координацию сердца и вызвать фибрилляцию (сердечный приступ), ведущую к смерти в считанные минуты.
    • Постоянный ток не требовал исправления для многих устройств, использующих постоянный ток. В конце 1800-х годов единственными электрическими приборами, используемыми потребителями, были лампа накаливания (электрическая лампочка) и двигатель постоянного тока, оба из которых хорошо работали с постоянным током.
    • DC не пострадал от скин-эффекта , который испытывает переменный ток при прохождении через проводники.Скин-эффект описывает тенденцию переменного тока течь вблизи поверхности проводников, увеличивая кажущееся сопротивление проводников для переменного тока.
    • Передача постоянного тока не излучает радиоволны , в отличие от переменного тока. (Однако последние два пункта не были поняты во время дебатов о течениях.)
    • Для генераторов постоянного тока требовался коммутатор с разъемным кольцом, который быстро изнашивался, вызывал искрение и был неэффективен при выдаче больших токов.
    • Напряжениями переменного тока можно управлять с помощью трансформаторов.Это было главным преимуществом системы распределения Westinghouse по сравнению с системой Эдисона, поскольку генерация переменного тока могла осуществляться в больших масштабах, вдали от населенных пунктов. Напротив, генераторы постоянного тока должны быть расположены в пределах 1-2 км от потребителей. За пределами этого расстояния падение напряжения при передаче становится слишком большим.
    • Крупномасштабная генерация переменного тока вдали от населенных пунктов приводит к:
      • Повышенная эффективность
      • Снижение загрязнения в населенных пунктах
      • Нет необходимости согласовывать / доставлять топливо в города для местных генераторов постоянного тока

    В конце концов, превосходная эффективность распределительных систем переменного тока и вытекающая из этого способность строить электростанции переменного тока вдали от населенных пунктов перевешивают опасности и другие аргументы против переменного тока.Таким образом, система кондиционирования Westinghouse стала предшественником современного способа распределения электроэнергии.

    Устройства безопасности в линиях электропередачи

    Изоляция от несущей конструкции

    В сухом воздухе электричество высокого напряжения может прыгать на расстояние 1 см на каждые 10 000 В разности потенциалов. Следовательно, линия передачи 330 кВ может вызвать искру до опоры, удерживающей ее, если она находится в пределах 33 см от проводника.

    В условиях высокой влажности (например, во время дождя) максимальное искровое расстояние больше.Чтобы предотвратить скачки искр от линий электропередачи к опорам, большие керамические изоляторы в форме дисков отделяют проводники от удерживающих их опор. Диски уложены друг на друга, так что даже во время дождя вода не может образовывать непрерывную струйку , образуя токопроводящий зазор между пилоном и проводником. Кроме того, форма диска означает, что ток проходит на большее расстояние, что увеличивает безопасность.

    Защита от ударов молнии

    На каждом пилоне есть пара проводов (или один проводник), который находится на самом верху пилона.Это называется экранированным проводником .

    В случае удара молнии молния попадает в самую высокую точку пилона, и поэтому удар по проводнику экрана наверху, а не по нижним проводящим линиям.

    Экранный проводник заземляется путем подключения к проводу, идущему от вершины опоры башни прямо к земле (известному как заземляющий провод), так что молния может перемещаться с неба на землю через проводники экрана, а не линии электропередач.

    Трансформаторы

    Назначение трансформаторов

    Трансформатор - это устройство, которое может управлять током и напряжением в цепи. Он состоит из двух катушек, одна из которых называется первичной, а другая - вторичной. Эти катушки могут быть намотаны на один сердечник из мягкого железа или связаны сердечником из мягкого железа. Последний показан слева.

    Когда переменный ток подается через первичную катушку, он индуцирует быстро переключающиеся линии магнитного потока через железный сердечник, пронизывая вторичную катушку.Этот изменяющийся поток индуцирует вторичный переменный ток во вторичной катушке с другим напряжением и током.

    Напряжение и ток наведенного переменного тока во вторичной катушке относительно исходного переменного тока можно контролировать с помощью соотношения , определяющего количество витков между первичной и вторичной обмотками.

    Общее отношение

    Вторичное напряжение может быть больше или меньше первичного, в зависимости от конструкции трансформатора. Величина вторичного напряжения зависит от числа витков провода в первичной обмотке n p относительно числа витков вторичной обмотки n s .

    Если трансформатор «идеальный», это:

    • КПД 100%, а энергия, потребляемая первичной обмоткой, равна выработке энергии вторичной обмотки (соблюдается принцип сохранения энергии)
    • Скорость изменения потока через обе катушки одинакова

    Закон Фарадея можно использовать, чтобы показать, что вторичное напряжение находится по формуле:

    Точно так же входное первичное напряжение, V p , связано с изменением магнитного потока уравнением:

    Разделение этих уравнений дает уравнение трансформатора:

    Повышающие и понижающие трансформаторы

    Если n s больше, чем n p , выходное напряжение будет больше входного.Такой трансформатор известен как повышающий трансформатор.

    Если n s меньше n p , выходное напряжение будет меньше входного. Такой трансформатор известен как понижающий трансформатор.

    Повышающие трансформаторы Трансформаторы понижающие
    • Состоит из двух индуктивно связанных катушек, намотанных на многослойном железном сердечнике
    • Во вторичной обмотке больше витков, чем в первичной обмотке
    • Выходное напряжение больше входного
    • Выходной ток меньше входного
    • Используется на электростанциях для повышения напряжения и снижения тока при передаче на большие расстояния.Также используется в телевизорах с электронно-лучевой трубкой, микроволновых печах и других приборах, требующих высокого напряжения
    • Состоит из двух индуктивно связанных катушек, намотанных на многослойном железном сердечнике.
    • В первичной обмотке больше витков, чем во вторичной
    • Выходное напряжение меньше входного
    • Выходной ток больше входного
    • Используется на подстанциях и в городах для снижения напряжения в линиях электропередачи для бытового и промышленного использования.Также используется в зарядных устройствах для электронного оборудования (например, зарядных устройств для мобильных телефонов, зарядных устройств для iPod) для преобразования 240 В переменного тока в более низкие напряжения постоянного тока

    Трансформаторы и сохранение энергии

    Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или разрушена, но энергия может быть преобразована из одной формы в другую . Трансформаторы не являются исключением из этого закона, поэтому мощность, подаваемая на первичную обмотку, должна равняться мощности, генерируемой на вторичной обмотке (для идеального трансформатора).

    Следовательно:

    Комбинируя это уравнение с уравнением трансформатора, мы получаем другое соотношение:

    Итак, объединив оба отношения, мы получим:

    Вихревые токи в трансформаторах

    Управление вихревыми токами

    Для неидеальных трансформаторов некоторая энергия обычно преобразуется в тепловую энергию в трансформаторе из-за возникновения вихревых токов в железном сердечнике. Другими словами, вихревые токи в железном сердечнике вызывают нагрев трансформатора.Каждый раз, когда энергия трансформируется из одной формы в другую, уменьшается полезная энергия.

    Вихревые токи возникают из-за того, что когда изменяющийся магнитный поток пронизывает железный сердечник, в железном сердечнике также индуцируется электрический ток, нагревая его. Это приводит к неэффективности трансформаторов, поскольку не вся электрическая мощность, подаваемая в первичную обмотку, восстанавливается во вторичной обмотке.

    Для решения этой проблемы:

    • Вместо железа можно использовать ферриты , сложные оксиды железа и других металлов.Ферриты хорошо пропускают поток, но плохо проводят электричество, поэтому вихревые токи и нагрев сведены к минимуму.
    • Железный сердечник можно разрезать на тонкие слои, а затем снова собрать вместе с изоляцией между каждым слоем. Этот процесс, известный как ламинирование , разрушает большие вихревые токи и сводит их к минимуму, поскольку токи могут образовываться только в каждой пластине. Это означает меньшие вихревые токи и, следовательно, меньший нагрев. Пластины должны быть перпендикулярны плоскости катушек, чтобы минимизировать образование вихревых токов.
    Проблемы, связанные с горячими трансформаторами

    Если трансформатор нагревается, сопротивление проводки в катушках увеличивается. Если электрическое сопротивление катушек увеличивается, то при прохождении электричества выделяется больше тепла, и трансформатор становится еще горячее. Чтобы трансформатор оставался холодным, мы можем:

    • Добавьте к трансформатору радиаторов , чтобы увеличить скорость отвода тепла в окружающую среду за счет большей площади поверхности.
    • Сделайте корпус трансформатора изнутри из черного материала, чтобы тепло, производимое внутри, эффективно поглощалось корпусом и быстрее возвращалось в окружающую среду.
    • Добавьте вентиляторы для вывода горячего воздуха из трансформатора.
    • Залейте в трансформатор масло , которое имеет высокую теплопроводность и быстро отводит тепло от катушек.
    • Держите трансформатор на открытом воздухе , в хорошо вентилируемых помещениях, чтобы обеспечить максимальный поток воздуха вокруг них.

    Трансформаторы для передачи энергии

    Потери мощности при передаче электроэнергии в основном вызваны нагревом проводов передачи. Мощность, потерянная при передаче, определяется уравнением:, поэтому очевидно, что потеря мощности зависит от тока, протекающего через провод, а также от сопротивления провода.

    Чтобы минимизировать потери мощности при передаче, мы используем повышающие трансформаторы, чтобы поднять напряжение электричества и тем самым уменьшить ток (вспомните это).Это значительно снижает мощность, потребляемую проводами передачи, и тем самым снижает потери энергии.

    Использование трансформаторов для передачи электроэнергии от электростанции к месту ее использования обеспечивает значительного повышения эффективности, сокращает потребление топлива электростанцией, а снижает цену на электроэнергию. Из уравнения видно, что P уменьшается квадратично с I. Например, напряжение передачи увеличивается вдвое, ток уменьшается вдвое, а потери мощности уменьшаются в четыре раза.Если ток уменьшен в 10 раз, потери мощности уменьшатся в 100 раз!

    Электроэнергия вырабатывается при напряжении от 10 кВ до 25 кВ, которое затем повышается до высокого напряжения перед передачей. В Австралии электричество обычно передается при напряжении 500 кВ, чтобы минимизировать потери энергии. Когда электричество достигает населенных пунктов, оно последовательно снижается до тех пор, пока в целях безопасности не будет доставлено в дом при 240 В переменного тока.

    Кроме того, для разных устройств требуется разное напряжение - компьютеры и лампы накаливания требуют гораздо более низкого напряжения, чем телевизоры и люминесцентные лампы, которым может потребоваться до 10 000 В.Трансформаторы необходимы для обеспечения питания каждого устройства соответствующим напряжением.

    Однако высоковольтные линии электропередач подвержены возникновению дуги и поэтому должны быть разделены, как и подстанции, которые могут быть чрезвычайно опасными для находящихся поблизости людей. Хотя трансформаторы значительно повысили эффективность передачи электроэнергии , они также вызвали проблем безопасности и потребовали специальной инфраструктуры для обеспечения безопасности людей.

    Электродвигатели переменного тока

    В курсе HSC есть два типа двигателей переменного тока:

    • Универсальные двигатели
    • Двигатели асинхронные
    Универсальные двигатели

    Универсальный двигатель аналогичен двигателю постоянного тока, но вместо постоянных магнитов используются электромагниты, а вместо коммутатора с разъемным кольцом используются коммутаторы с контактным кольцом.Он может работать от источника переменного или постоянного тока (но в версии для постоянного тока необходимо использовать коммутатор с разъемным кольцом вместо коммутатора с контактным кольцом).

    Причина, по которой универсальный двигатель может использовать переменный ток, заключается в том, что поскольку переменный ток переключает направление, магнитное поле, создаваемое электромагнитами, также переключается в направлении одновременно. Это двойное переключение в то же время приводит к тому, что направление крутящего момента на катушке остается неизменным .

    Универсальный двигатель обычно используется для небольших машин, таких как переносные дрели и миксеры для пищевых продуктов.

    Асинхронные двигатели

    Асинхронный двигатель - это машина переменного тока, в которой крутящий момент создается за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля , создаваемого статором, и токов, индуцируемых в роторе. У асинхронных двигателей есть роторы, которые не подключены к источнику питания. Вместо этого на ротор пронизан поток вращающегося магнитного поля, и вращение достигается за счет того, что ротор действует по закону Ленца, «преследуя» вращающееся магнитное поле, чтобы противодействовать относительному движению.

    Преимущества Недостатки
    • Поскольку ротор ни к чему не прикреплен, он вращается с низким коэффициентом трения. Следовательно, асинхронные двигатели подвержены меньшему износу по сравнению с нормальным использованием
    • Отсутствие необходимости в коммутаторе означает отсутствие искрообразования или потерь КПД из-за трения, а также на двигатель могут подаваться большие токи.
    • Скорость вращения предсказуема, так как частота вращения будет той же, что и частота переменного тока
    • Относительно низкий пусковой момент
    • Требуется 3 фазы переменного тока вместо одной для универсальных двигателей или двигателей постоянного тока
    • Относительно сложный, требующий нескольких пар катушек
    • Скорость ограничена и не может превышать частоту переменного тока.Например, в Австралии наш переменный ток имеет частоту 50 Гц, поэтому все асинхронные двигатели не могут превышать скорость вращения 50 оборотов в секунду (или 3000 об / мин)

    Энергетические преобразования в промышленности и быту

    Электричество - это простой способ передачи энергии от точки к точке. Преимущество электричества не только в том, что его относительно легко транспортировать, но и в том, что легко преобразовать в другие формы .

    В доме электричество преобразуется в кинетическую энергию (например, фены, стиральные машины) или электромагнитное излучение (например, лампочки, микроволновые печи, экраны компьютеров) или тепловую энергию (электрические плиты, электрические обогреватели, электрические одеяла) . В промышленности тоже происходят такие же преобразования.

    Дом Промышленность
    Электроэнергия в доме преобразуется в следующие виды энергии: Электромагнитное излучение
    • Свет от лампочек
    • СВЧ-излучение, внутри микроволновых печей
    • Свет от телевизоров и экранов компьютеров

    Тепло

    • Варочные панели электрические
    • Духовки электрические
    • Одеяла электрические
    • Электронагреватели

    Кинетическая энергия

    • Фены
    • Стиральные машины
    • Вентиляторы

    Звук

    • Динамики в радиоприемниках и телевизорах
    • Тревоги

    Химическая потенциальная энергия

    • Зарядка батарей в мобильных телефонах, iPod и т. Д.
    Электроэнергия в промышленности преобразуется в следующие виды энергии: Электромагнитное излучение
    • Общее освещение
    • Лазеры в производстве интегральных схем
    • Рентгеновские лучи для обнаружения трещин
    • Радиоволны для связи

    Тепло

    • Индукционные печи для плавки металлов
    • Электродуговая сварка

    Кинетическая энергия

    Химическая потенциальная энергия

    • Гальваника
    • Электролитические процессы
    • Производство аккумуляторов

    pd генераторы эффекты приложения динамо постоянного тока генераторы переменного тока генераторы электроэнергии как работает микрофон igcse / gcse 9-1 Physics revision notes

    Электричество и магнетизм12: Эффект генератора и приложения

    е.г. г. динамо и переменного тока генераторы генераторы и микрофон

    Трансформеры разбираются по другому стр.

    Редакция Доктора Брауна по физике: GCSE Physics, IGCSE физика, O уровень & ~ Школьные курсы естественных наук для 9-10 классов в США или их эквиваленты для ~ 14-16 лет студенты

    Эта страница поможет вам ответить на вопросы например ... Что мы подразумеваем под электромагнитным индукция? Производство электроэнергии, как работает генератор? Как работает динамо-машина? Как можно увеличить выходную мощность от генератора?

    Подиндекс этой страницы

    1.Что такое «эффект генератора»? Что такое электромагнитная индукция?

    2. Демонстрации электромагнитной индукции

    3. Еще две вещи, которые следует учитывать, прежде чем смотреть примеры генераторов

    4. Введение к генераторам

    5. Генератор генератор переменного тока

    6. Динамо постоянного тока генератор

    7. Как ты можешь увеличить p.d. а мощность от динамо?

    8. Как микрофон работает?


    (1) Что такое «эффект генератора»? Что такое электромагнитная индукция?

    Электричество - это движение электрически заряженные частицы - но поток заряда создает собственное магнитное поле.

    Магнетизм связан с полем магнитный поток, связанный с магнитом или магнитными материалами.

    Это означает электричество и магнетизм сильно взаимосвязаны.

    Вы можете вырабатывать электроэнергию из генератор эффекта , который является примером электромагнитной индукции .

    Вы можете вызвать разность потенциалов (p.d.) в электрическом проводнике ...

    (i) в проводе, движущемся относительно магнитное поле.

    например, провод или катушка, движущиеся между полюса постоянного постоянного магнита.

    ИЛИ (ii) провод испытывает изменяющееся магнитное поле.

    например, провод может быть неподвижным и магнит, вращаемый им, или более эффективно, магнит, вращающийся в катушка с проволокой.

    Это простые примеры эффект электромагнитной индукции .

    `` провод '' может быть любой провод и если это часть полной цепи, ток будет течь.

    Общее в этих примерах - проводник, движущийся через магнитное поле или магнитное поле движущийся по проводнику - это вызывает электромагнитный эффект.

    Эффект электромагнитной индукции используется в генераторах, громкоговорители и трансформаторы

    Трансформаторы разбираются на другой странице


    ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс


    (2) Демонстрации электромагнитной индукции - генератор эффекта

    Вы можете продемонстрировать это электромагнитное индукции следующими способами...

    Демонстрация 1 Стационарная катушка и движущийся магнит.

    Слева: перемещение магнита внутрь и из катушки. Правильно: Перемещение провода через магнитное поле.

    Обе простые демонстрации вызывают крошечный ток в проводе - электромагнитная индукция .

    Есть несколько способов увеличить индуцированная разность потенциалов (и, следовательно, ток)

    1. Более быстрое перемещение проволоки или магнита - увеличение скорости магнитного поля, проходящего через провод в в котором индуцируется ток.
    2. Использование более мощного магнита - увеличить в магнитном потоке, проходящем через провод.
    3. Использование мультикабивки провода - то же магнитное поле взаимодействует с проводом большей длины.

    Эти факторы учитываются при проектировании электродвигатели или электрические генераторы.

    Вы создали схему, состоящую из изолированного медного провода. катушка подключена к очень чувствительному амперметру.

    Вы можете использовать «современный» цифровой амперметр или гальванометр - вариант очень чувствительного амперметра с «стрелкой» от до эпохи цифровых инструментов! Вам также понадобится постоянный магнит.

    Если поднести магнит к катушке, но неподвижно, ничего не происходит .

    НО, если вы перемещаете постоянный магнит «внутрь и наружу» катушка, п.д.и ток индуцируется в катушке.

    Это изменение магнитного поля провод опыт, который вызывает pd и ток в нем.

    Итак, для начала, удерживая полюса магнита указывая в том же направлении ...

    когда магнит «входит», вы должны увидеть показания амперметра выше 0,0 А в одном направлении и при нажатии магнит, вы получите 'мигание' показания амперметра менее чем 0.0 А.

    Причина этих двух противоположных, но численно равных показания амперметра, это то, что катушка и магнит постоянны, НО , если вы меняете направление движения вы меняете направление п.д. и индуцированный ток .

    Точно так же, если вы поменяете местами полюса магнита вокруг , два показания меняются местами - показание амперметра становится отрицательным и значение -ve становится + ve.

    Другими словами, , если вы измените направление магнитное поле вы меняете направление индуцированного п.д. и текущий .

    Итак, если изменить одно, то получить индуцированный п.о. с движением !

    Примечание: если вы продолжаете перемещать магнит внутрь и наружу катушка вырабатывает постоянный переменный ток (a.c.) - это это принцип, по которому работает генератор переменного тока, но вы держите магнит стационарный и переместите провод.

    См. Вторую демонстрацию электромагнитного индукция описана ниже.

    Демонстрация 2 Подвижная катушка и стационарный магнит.

    Вам понадобится постоянный магнит П-образной формы или два постоянных магнита. магниты.

    Катушка с проводом подключена к чувствительному амперметру.

    Пока катушка неподвижна, показания амперметра остаются на ноль (0,0 А)

    Однако при перемещении катушки внутрь и наружу под углом 90 o к магнитному полю вы наводите п.д. и текущий .

    Это изменение магнитного поля провод опыт, который вызывает pd и ток в нем.

    Итак, опять же, реверсирует одно и меняет другое и вы получите только индуцированный p.d. с движением !

    При перемещении катушки в одном направлении индуцированное ток течет в одном направлении (например, амперметр показывает> 0,0 A), и если вы переместите катушки в другом направлении, индуцированный п.д. и текущие также обратное (например, амперметр показывает <0,0 A).

    Здесь магнитное поле имеет постоянное направление но движение постоянно меняет направление , снова производя переменный ток как индуцированный р.d. также обратный.

    Демонстрация 3. Другие способы перемещения магнитного поля. и катушки относительно друг друга

    Есть много других демонстраций, чтобы показать электромагнитная индукция, например

    (i) Магнит можно вращать внутри большей катушки

    Катушка неподвижна, но магнитное поле постоянно меняются и «режут» проволоку.

    На каждые пол-оборота магнита направление магнитное поле меняется на противоположное, и поэтому п.д. тоже меняется, и ток течет в обратном направлении.

    Следовательно, при непрерывном вращении вы производите переменный ток.

    (ii) Катушку можно вращать в неподвижном магнитном поле

    Здесь провод постоянно «прорезает» магнитное поле.

    Это более управляемый вариант демонстрации 2, а также см. конструкция простых генераторов.

    ПОМНИТЕ: изменение магнитного поля провод, который вызывает протекание в нем pd и тока.

    Итак, обе эти демонстрации сводятся к одному и тому же - проводящий провод и магнитное поле, движущиеся друг относительно друга , и ....

    ... вращение на магнита или катушки на самом деле как генераторы работают на производство либо ...

    (i) переменного тока (ac) , в котором текущее направление периодически меняет направление,

    или (ii) постоянного тока (dc) , который только течет в одном направлении.

    Эффект электромагнитной индукции используется в генераторах, громкоговорители и трансформаторы

    Трансформаторы разбираются на другой странице


    ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс


    (3) Две другие вещи рассмотреть перед тем, как смотреть на примеры генераторов...

    (а) Индуцированная ток противостоит изменению, вызвавшему индукцию!

    Мы видели, что изменение магнитного поля вызывает ток в проводнике, например медный провод.

    НО, при протекании тока по проводу магнитное поле создается вокруг провода.

    Итак, теперь мы имеем дело с двумя магнитными полями .

    Магнитное поле , создаваемое индуцированным током в проводе всегда действует против изменения, сделавшего его ,

    И, не имеет значения, вызвана ли индукция движение провода или движение магнитного поля.

    Как будто `` система '' пытается вернуться к где он начался, т.е. индуцированный ток противостоит изменению, которое сделал это .

    Сначала вы можете подумать - как мы можем непрерывно извлечь электрическую энергию из индукционной системы?

    НО, помните, генератору требуется постоянная ввод кинетической энергии , например, дизельный двигатель или пар / вода турбина.

    Вы накапливаете электроэнергию магазин из другого магазина энергии!

    Нельзя получить энергию даром!

    (б) Как можно вы увеличили наведенную разность потенциалов

    Важно знать, как изменить размер индуцированный p.d. или текущий поток.

    Чтобы изменить размер индуцированного pd, вы должны изменить скорость, с которой изменяется магнитное поле.

    Вы обычно заинтересованы в увеличении pd или текущий или оба одновременно, например

    Повышение скорости вращения (движения) - увеличение подводимой кинетической энергии

    Повышенное вращение катушка или магнит означает, что на единицу разрезается больше магнитных силовых линий время.

    Для данной напряженности магнитного поля плотность силовых линий постоянна, но с повышенной движение вы перемещаетесь по ним быстрее.

    Повышение напряженности магнитного поля с более мощным магнитом

    Большой магнитный поток плотность означает, что в единицу времени перерезается больше магнитных силовых линий.

    Помните - чем больше сила магнитное поле от более сильного магнита, тем ближе друг к другу силовые линии.

    Увеличение количества витков провода на катушке

    Чем больше плотность катушки, чем больше проводник магнитных силовых линий прорезать.


    ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс


    (4) Практичный ГЕНЕРАТОРЫ

    Генератор - это практический способ производства постоянная подача электроэнергии.

    Есть два основных типа -

    (а) переменный ток генератор - текущее направление меняется,

    (б) постоянный ток динамо - ток течет только в одном направлении.

    Оба типа используют эффект генератора, чтобы вызвать тока, и два простых генератора, описанных ниже, включают вращающиеся катушки проволоки в фиксированном магнитном поле прорезают линии силы.

    Оба они имеют аналогичную конструкцию схемы, НО есть некоторые отличия, будьте осторожны!

    Оба типа, описанные здесь, включают вращение катушки в фиксированное магнитное поле, поэтому катушка непрерывно прорезает силовые линии магнитного потока.

    Эффект генератора

    Все генераторы должны иметь источник мощность для вращения катушки с проволокой.

    Когда катушка вращается, она прорезает в катушке индуцируется магнитное поле и ток.

    Динамо постоянного тока. генераторы и генераторы переменного тока генерируют переменный ток. текущий.

    Электромагнитная индукция - индукция ток во вращающейся катушке, прорезающий магнитное поле.

    Направление вращения может быть предсказано по правилу правой руки Флеминга ( НЕ на GCSE спецификация )

    Рассмотрим правую сторону катушка для движения по часовой стрелке (может быть частью простого динамо-генератора постоянного тока)

    thuMb представляет направление сила актов - направление движения - , снизу (подчеркиваю M ).

    Первый палец представляет направление движения магнитное поле N => S (фонетически выделить F ).

    Палец SeCond предсказывает направление индуцировал конвенцию ток (выделите «жесткий» C ).

    Повторите то же самое для левой стороны катушка движется вверх, и вы должны предсказать, что ток будет течет в обратном направлении.

    Вы должны в конечном итоге оценить следующее:

    (i) a d.c. двигатель и постоянный ток генератора, по сути, такой же конструкции, и,

    (ii) a.c. двигатель и переменный ток генератор, по сути, такой же конструкции,

    потому что они построены подобных компонентов, итак,

    в электродвигателе энергия электрического тока преобразуется в кинетическую энергию, и,

    в электрогенераторе, кинетическая энергия преобразуется в электрическую.


    ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс


    5. генератор переменного тока генератор - производство переменный ток / п.д.

    Простой ГЕНЕРАТОР переменного тока

    Напоминания : Все генераторы должен иметь источник энергии для вращения катушки с проволокой.

    Когда катушка вращается, она режет через магнитное поле и в катушке индуцируется ток.

    Динамо постоянного тока. генераторы и генераторы переменного тока генерируют переменный ток. текущий.

    Вот, для этой простой конструкции переменный ток генератора, направление вращения прогнозируется от Правило Флеминга .

    Объясняя, как работает простой генератор генератор работает

    Конструкция очень похожа на простой электродвигатель.

    Катушка вращается через магнитное поле некоторыми внешний источник кинетической энергии.

    При вращении катушки прорезание магнитного поле, в катушке индуцируется ток.

    Ток будет менять направление после каждого пол-оборота.

    Для «извлечения» электрического тока, т.е. для подключения к внешняя цепь, генераторы переменного тока используют систему контактных колец и щетки .

    Это означает, что контакты не меняются местами каждые пол-оборота и так переменного тока (переменного тока переменного тока стр.d. ) является произведено.

    Посмотреть осциллограммы ниже p.d. в зависимости от времени - обратите внимание на полную форму колеблющейся волны следа.

    Это отличается от коммутатора с разъемным кольцом. используется в простой электродвигатель и Динамо-генератор описан далее.

    Щеточные контакты обеспечивают непрерывное электрическое подключение, не препятствуя движению коммутатора.

    Сравнивая выход переменного тока генератор и постоянный ток. динамо-генератор (повторяется в разделе 6.)

    Осциллограф CRO отслеживает от генераторов

    Осциллограф может показать, как p.d. через катушку генератор меняется со временем.

    Три примера осциллограмм от генераторов показаны выше (ось x = время, ось y = pd).

    1. Этот график показывает переменный ток, т.е. p.d. изменяется от + ve до 0 до -ve значений в непрерывном цикле.

    Вы можете сказать, что это переменный ток. след, потому что он идет вверх и вниз от горизонтальной оси п.о. 0 В.

    Высота следа выше 0 В в любой точке сообщает вам p.d. сгенерированный в этот момент.

    Обратите внимание на полное колебание волновая форма следа.

    2. Это тоже след от генератора. генератора, но вращение катушки больше, чем у 1.

    Чем выше пик от 0 В по горизонтали оси, тем больше создаваемая разность потенциалов.

    Обратите внимание на полное колебание волновая форма следа.

    Обратите внимание на полное колебание волновая форма следа.

    3. Это запись динамо-генератора постоянного тока

    Вы можете сказать, что это не переменный ток потому что трасса состоит из последовательности полупериодов.

    Переменный ток генератор, описанный выше, будет производить следы 1. и 2.


    Большой а.c. генераторы переменного тока используется на электростанциях, вырабатывающих электроэнергию для линий электропередач национального сеточная система.

    См. Энергетические ресурсы: использование, обзор, тенденции, сравнение возобновляемых источников энергии, невозобновляемых источников энергии, выработка электроэнергии

    , и Электроснабжение «Национальной сети», экологическое вопросы, использование трансформаторов


    ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс


    6. The динамо-генератор постоянного тока - производство прямого ток / постоянный p.d

    Простой DYNAMO

    Напоминания : Все генераторы должен иметь источник энергии для вращения катушки с проволокой.

    Когда катушка вращается, она режет через магнитное поле и в катушке индуцируется ток.

    Динамо постоянного тока. генераторы и генераторы генерируют a.c. текущий.

    Объясняя, как работает простой динамо-генератор работает

    Динамо-машина работает как генератор в том смысле, что катушки вращается через магнитное поле каким-либо внешним источником кинетической энергия.

    Однако, в отличие от генератора, но как электрический двигателя, в нем используется коммутатор с разрезным кольцом и НЕ контактные кольца, чтобы подключиться к внешней цепи.

    Коммутатор с разъемным кольцом меняет местами соединения каждые пол-оборота, чтобы ток продолжал течь в том же направлении - генерация постоянного тока (dc).

    Однако из-за вращения динамо-катушки, вы не получите постоянного p.d. и вы получите пики как с выходом переменного тока генератор, но без изменений с + ve до -ве р.д.

    Посмотреть осциллограммы ниже p.d. против времени - обратите внимание на отсутствие колеблющейся волны форма следа, это просто серия колеблющихся "горбов" или полуволны.

    Щеточные контакты обеспечивают непрерывное электрическое подключение, не препятствуя движению коммутатора.

    Сравнивая выход переменного тока генератор и постоянный ток. динамо-генератор (повторить из раздела 5.)

    Осциллограф CRO отслеживает от генераторов

    Осциллограф может показать, как p.d. через катушку генератор меняется со временем.

    Три примера осциллограмм от генераторов показаны выше (ось x = время, ось y = p.г.).

    1. Этот график показывает переменный ток, т.е. p.d. изменяется от + ve до 0 до -ve значений в непрерывном цикле.

    Вы можете сказать, что это переменный ток. след, потому что он идет вверх и вниз от горизонтальной оси п.о. 0 В.

    Высота следа выше 0 В в любой точке сообщает вам p.d. сгенерированный в этот момент.

    Обратите внимание на полное колебание волновая форма следа.

    2. Это тоже след от генератора генератора, но вращение катушки больше, чем у 1.

    Следовательно, на графике 2 показан больше переменного тока частота, чем 1.

    Чем выше пик от 0 В по горизонтали оси, тем больше создаваемая разность потенциалов.

    Максимальный p.d. лучше в трассе CRO 2, чем в трассе 1 - вы можете сказать по большему амплитуда.

    Обратите внимание на полное колебание волновая форма следа.

    3. Это след от динамо-генератора постоянного тока

    Вы можете сказать, что это не переменный ток потому что трасса состоит из последовательности полупериодов.

    Постоянный ток генератор описанный выше будет только произвести трассировку 3.


    7. Как можно увеличить p.d. а мощность от динамо?

    Как уже было сказано, нужно увеличивать скорость прорезание магнитного потока - силовые линии.

    Есть четыре способа сделать это на основе на простых генераторах переменного и постоянного тока, описанных выше ...

    (i) Увеличение количества витков провода в катушке .

    Магнитные силовые линии «прорезать» больше проволоки в единицу времени.

    (ii) Путем наматывания катушки на якорь из мягкого железа, чтобы увеличивают магнитный поток через катушку .

    Железо концентрирует линии силы, поэтому больше силовых линий «прорезается» на единицу время.

    (iii) Увеличение скорости вращения катушки или магнит .

    Больше магнитных силовых линий «прорезаются» за единицу времени.

    (iv) Сделав магнит поля столь же сильным, как возможно .

    Магнитный поток больше плотно, силовые линии ближе друг к другу, поэтому больше линий силы «сокращаются» за раз.

    (v) Определение расстояния между катушка и магнит как можно меньше.

    Эти факторы относятся к любому конструкция электрогенератора.


    ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс


    8. Как микрофон работает?

    микрофон работает за счет электромагнитного индукционная

    Микрофон работает наоборот путь к громкоговоритель.

    Приведенная выше диаграмма иллюстрирует принцип микрофон e.г. для вокалиста или телефонного мундштука.

    Микрофон преобразует энергию изменение давления звуковых волн в сигнал электрической энергии в переменном токе.

    Колебания звуковых волн вибрирует диафрагма, что вызывает колебания в электрическом цепь - электрический сигнал.

    Электрический сигнал может в свою очередь использоваться для воссоздания звука в громкоговоритель.

    Микрофон ведет себя как громкоговоритель в обратном направлении -

    Правая часть диаграммы была заимствована из моего динамика. диаграмма!

    Катушка проволоки окружает один полюс постоянного магнита, который сам окружен другой полюс магнита - ищите N и S на диаграмме выше.

    Катушка , в которой ток индуцируется, соединяется с гибкой диафрагмой , конусная крышка изготовлена ​​из тонкий пластик или металл.

    Если катушка движется в магнитное поле, п.о. индуцируется в катушке.

    Принципиально ничем не отличается на работу генератора - катушка движется через магнитный поле ,

    но вращения нет, это эффект вибрации «туда-сюда».

    Приходит начальное движение от звуковых волн, попадающих на гибкую диафрагму.

    Звуковая волна диафрагма вибрирует и перемещается в резонанс со звуковой волной.

    В свою очередь катушка автоматически перемещается на тех же частотах , что и звуковая волна индуцирует переменный ток в катушке.

    Кроме того, чем громче звук, тем больше смещение катушки .

    Следовательно, движение катушка генерирует (индуцирует) сигнал электрического тока, который можно использовать для воспроизведения как частоты, так и относительная громкость (громкость) звука волны в громкоговорителе или записывающем устройстве как магнитофон.

    См. Также Объяснение природы и свойств звуковых волн


    Трансформаторы раздаются с на другой странице


    ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс


    Что дальше?

    Электричество и ревизия магнетизма индекс нот

    1. Полезность электроэнергии, безопасность, передача энергии, расчеты стоимости и мощности, P = IV = I 2 R, E = Pt, E = IVt

    2.Электрические схемы и как их рисовать, условные обозначения схем, параллельность схемы, объяснение последовательных схем

    3. Закон Ома, экспериментальные исследования сопротивление, I-V графики, расчеты V = IR, Q = It, E = QV

    4. Схемы устройств и как они используются? (например. термистор и LDR), соответствующие графики gcse Physical Revision

    5. Подробнее о последовательных и параллельных цепях. электрические схемы, измерения и расчеты gcse физика

    6.Электроснабжение «Национальной сети», экологическое вопросы, использование трансформаторов gcse примечания к редакции физики

    7. Сравнение способов получения электроэнергии gcse Заметки о пересмотре физики (энергия 6)

    8. Статическое электричество и электрические поля, использование и опасность статического электричества gcse примечания к редакции физики

    9. Магнетизм - магнитные материалы - временные (индуцированные) и постоянные магниты - использует gcse физика

    10.Электромагнетизм, соленоидные катушки, применение электромагнитов gcse примечания к редакции физики

    11. Моторное воздействие электрического тока, электродвигатель, громкоговоритель, правило левой руки Флеминга, F = BIL

    12. Эффект генератора, приложения, например генераторы производство электричества и микрофон gcse физика

    ВСЕ мои GCSE Примечания к редакции физики

    ИЛИ воспользуйтесь [GOGGLE ПОИСК]



    GCSE примечания к редакции физики по приложениям с эффектами генератора Динамо генераторы генераторы, генерирующие электричество микрофоны, редакция IGCSE примечания по применению эффекта генератора генераторы динамо-генератора генерация электричества микрофоны KS4 физика Научные заметки о генераторные эффекты генераторы динамо-генераторы генерация электричества микрофоны руководство по физике GCSE примечания по применению эффекта генератора генераторы динамо-генератора создание электрических микрофонов для школ, колледжей, академий, преподавателей курсов естественных наук, изображений рисунки диаграммы для приложений с эффектом генератора динамо-генератор генераторы, вырабатывающие электричество, микрофоны, научные исправления, заметки о генераторные эффекты генераторы динамо-генераторы генерация электрических микрофонов для проверки модулей физики примечания по темам физики, чтобы помочь в понимании генераторные эффекты генераторы динамо-генераторы производство электрических микрофонов университетские курсы физики карьера в науке и физике вакансии в машиностроении технический лаборант стажировка инженер стажировка по физике США 8 класс 9 класс 10 AQA Заметки о пересмотре физики GCSE 9-1 об эффекте генератора применения динамо-генераторы генераторы генераторы электроэнергии микрофоны GCSE примечания по применению эффекта генератора динамо-генератор генераторы, вырабатывающие электричество микрофоны Edexcel GCSE 9-1 физика наука пересмотр примечания к генераторные эффекты генераторы динамо-генераторы генерация электрических микрофонов для OCR GCSE 9-1 21 век физика научные заметки о применении эффекта генератора динамо генераторы генераторы электричество микрофоны OCR GCSE 9-1 Шлюз физики примечания к пересмотру приложений эффектов генератора динамо генераторы генераторы электричество микрофоны WJEC gcse science CCEA / CEA gcse science примечания к редакции физики GCSE на приложениях с эффектом генератора генераторы динамо-генератора электрические микрофоны

    ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс

    Магнитогидродинамический генератор энергии | физика

    Магнитогидродинамический генератор энергии , любой из класса устройств, вырабатывающих электроэнергию за счет взаимодействия движущейся жидкости (обычно ионизированного газа или плазмы) и магнитного поля.Магнитогидродинамические (МГД) электростанции обладают потенциалом для крупномасштабного производства электроэнергии с меньшим воздействием на окружающую среду. С 1970 года несколько стран приступили к исследовательским программам МГД с особым упором на использование угля в качестве топлива. МГД-генераторы также привлекательны для генерации больших импульсов электроэнергии.

    Базовый принцип МГД-генерации элегантно прост. Обычно электропроводящий газ получают под высоким давлением при сжигании ископаемого топлива.Затем газ направляется через магнитное поле, в результате чего в нем возникает электродвижущая сила в соответствии с законом индукции Фарадея (названным в честь английского физика и химика 19 века Майкла Фарадея). Система MHD представляет собой тепловой двигатель, в котором происходит расширение газа от высокого до низкого давления аналогично тому, как это используется в обычном газовом турбогенераторе ( см. Рисунок ). В турбогенераторе газ взаимодействует с поверхностями лопаток, приводя в действие турбину и присоединенный к ней электрический генератор.В системе МГД кинетическая энергия газа преобразуется непосредственно в электрическую энергию, поскольку ему позволяют расширяться.

    Сравнение принципов работы (А) турбогенератора и (Б) МГД-генератора.

    Encyclopædia Britannica, Inc.

    Интерес к МГД-генерации энергии первоначально был стимулирован наблюдением, что взаимодействие плазмы с магнитным полем может происходить при гораздо более высоких температурах, чем это возможно во вращающейся механической турбине.Ограничение производительности с точки зрения эффективности в тепловых двигателях было установлено в начале 19 века французским инженером Сади Карно. Цикл Карно, который устанавливает максимальный теоретический КПД теплового двигателя, получается из разницы между температурой горячего источника и температурой холодного стока, деленной на температуру источника. Например, если температура источника составляет 3000 K (около 2700 ° C или 4900 ° F), а температура стока 300 K (около 30 ° C или 85 ° F), максимальная теоретическая эффективность составит 90 процентов.С учетом неэффективности, вызванной конечной скоростью теплопередачи и неэффективностью компонентов в реальных тепловых двигателях, система, в которой используется МГД-генератор, предлагает потенциал максимальной эффективности в диапазоне от 60 до 65 процентов. Это намного лучше, чем КПД от 35 до 40 процентов, который может быть достигнут на современной традиционной установке. Кроме того, МГД-генераторы производят меньше загрязняющих веществ, чем обычные установки. Однако более высокая стоимость строительства МГД-систем ограничила их применение.

    Принципы работы

    Базовая конструкция МГД-генератора показана на рисунке. В МГД-генераторе горячий газ ускоряется соплом и вводится в канал. Поперек канала создается мощное магнитное поле. В соответствии с законом индукции Фарадея устанавливается электрическое поле, действующее в направлении, перпендикулярном потоку газа и магнитному полю. Стенки канала, параллельные магнитному полю, служат в качестве электродов и позволяют генератору подавать электрический ток во внешнюю цепь.

    Простой МГД-генератор Ток нагрузки представлен как I , а напряжение - как В .

    Encyclopædia Britannica, Inc. Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

    Выходная мощность МГД-генератора на каждый кубический метр объема канала пропорциональна произведению проводимости газа, квадрату скорости газа и квадрату напряженности магнитного поля, через которое проходит газ.Чтобы МГД-генераторы работали конкурентоспособно с хорошими характеристиками и разумными физическими размерами, электрическая проводимость плазмы должна находиться в диапазоне температур выше примерно 1800 К (примерно 1500 ° C или 2800 ° F). Лопатки турбины газотурбинной энергосистемы не могут работать при таких температурах. Адекватное значение электропроводности - от 10 до 50 сименс на метр - может быть достигнуто, если в горячий газ вводится добавка, обычно около 1 процента по массе. Эта добавка представляет собой легко ионизируемый щелочной материал, такой как цезий, карбонат калия или натрия, и называется «затравкой».«В то время как цезий имеет самый низкий ионизирующий потенциал (3,894 электрон-вольт), калий (4,341 электрон-вольт) дешевле. Даже несмотря на то, что количество посевного материала невелико, экономическая эксплуатация требует наличия системы для его извлечения как можно большего количества.

    Горячий газ с его затравкой находится под давлением в несколько миллионов паскалей. Он разгоняется соплом до скорости, которая может находиться в диапазоне от 1000 до 2000 метров (примерно от 3300 до 6600 футов) в секунду. Затем газ попадает в канал или канал, к которому применяется магнитное поле.Чтобы создать конкурентоспособную МГД-систему, это магнитное поле должно иметь высокую напряженность. Обычно сверхпроводящий магнит используется для создания магнитного поля в диапазоне от трех до пяти тесла в канале. Возникает электродвижущая сила, действующая в направлении, перпендикулярном как потоку, так и полю, и стенки, параллельные магнитному полю, служат в качестве электродов для подачи тока во внешнюю электрическую цепь. Остальные две стенки канала - электроизоляторы. Теоретически МГД-система с проводимостью газа 25 сименс на метр, средним магнитным полем 3 тесла и средней скоростью газа 1000 метров в секунду способна генерировать электроэнергию плотностью около 250 миллионов ватт на кубический метр. громкости канала.

    Осложняющей особенностью плазменного МГД-генератора является наличие ярко выраженного эффекта Холла. Это происходит из-за поведения электронов в присутствии как магнитного, так и электрического полей. Электроны в плазме обладают гораздо большей подвижностью, чем ионы. Когда ток электрической нагрузки течет по каналу, электроны в этом токе испытывают силу, направленную вдоль канала. Это эффект Холла, названный в честь его первооткрывателя, американского физика Эдвина Х. Холла. В результате этого эффекта электрический ток течет под углом через канал.Вдоль оси канала создается дополнительное электрическое поле, называемое полем Холла. Это, в свою очередь, требует, чтобы либо стенки электродов в типичной конфигурации генератора ( см. Рисунок ) были сконструированы так, чтобы поддерживать это поле Холла, либо чтобы само поле Холла использовалось в качестве выхода для подачи тока через электрическую цепь, внешнюю по отношению к МГД-системе .

    Для учета эффекта Холла было разработано несколько конфигураций генератора. В генераторе Фарадея, как показано в части А рисунка, стенки электродов сегментированы и изолированы друг от друга, чтобы поддерживать осевое электрическое поле, а электрическая энергия отбирается в серии нагрузок.В альтернативной конфигурации, известной как генератор Холла, как показано в части B рисунка, поле Фарадея в каждом секторе канала закорочено, и секторы соединены последовательно. Это позволяет подключать одну электрическую нагрузку между концами канала. Другая конфигурация генератора показана в части C рисунка. Учет электрических потенциалов в разных точках канала приводит к наблюдению, что эквипотенциальный провод проходит по диагонали через стенки изолятора и что электроды могут быть соответствующим образом смещены, чтобы соответствовать эквипотенциальным потенциалам.Последовательное соединение этих электродов в этом диагональном генераторе позволяет использовать одну электрическую нагрузку.

    Конфигурации МГД-генератора (A) Сегментированный генератор Фарадея. (B) Генератор Холла. (C) Диагональный генератор. (D) Дисковый генератор.

    Encyclopædia Britannica, Inc.

    Привлекательной альтернативой линейному генератору Холла в части B рисунка является дисковый генератор, показанный в части D рисунка. В этой конфигурации ток нагрузки течет радиально, а короткозамкнутые токи Фарадея текут по замкнутым круговым путям.Выход Холла появляется между центром и периферией диска. Этот дисковый генератор привлекателен при использовании неравновесной ионизации.

    Физика

    Сложение векторов

    Два вектора могут быть добавлены с использованием метода треугольника или параллелограмма.

    Сложение и вычитание векторов

    Два вектора можно складывать или вычитать.

    Компоненты вектора

    Могут быть показаны горизонтальные и вертикальные компоненты любого вектора.

    Практика сложения и вычитания векторов

    Практика сложения и вычитания векторов.

    Равномерное ускорение в одном измерении: графики движения

    Это моделирование призвано помочь учащимся лучше понять взаимосвязь между различными величинами, участвующими в равномерно ускоренном движении. Регулируя ползунки (или поля ввода), ученик может изменить начальное положение, начальную скорость и ускорение объекта, а также может наблюдать, как каждое изменение влияет на графики положения, скорости и ускорения в зависимости отвремя.

    Графики зависимости положения, скорости и ускорения от времени

    В этом моделировании вы регулируете форму графика зависимости скорости от времени, перемещая точки вверх или вниз. Соответствующие графики зависимости положения от времени и ускорения от времени будут автоматически настраиваться в соответствии с движением, показанным на графике зависимости скорости от времени.

    Кинематические графики: регулировка ускорения

    Это симуляция, которая показывает положение в зависимости отграфики зависимости времени, скорости от времени и ускорения от времени для объекта. Студенты могут настроить начальное положение и начальную скорость объектов, а затем настроить ускорение объекта в течение четырех временных интервалов, представленных на всех графиках.

    1D кинематика: графики зависимости скорости от времени

    Это моделирование показывает график зависимости скорости от времени для объекта, движущегося по прямой линии. Отрегулируйте скорость, перемещая синие точки вверх или вниз.Отрегулируйте общий временной интервал, сдвигая красные точки по горизонтали.

    Равномерное ускорение в одном измерении

    Это моделирование движения автомобиля, испытывающего равномерное ускорение. Начальное положение, начальная скорость и ускорение автомобиля можно регулировать.

    Кинематика в одном измерении: система двух объектов

    Это моделирование двух автомобилей, движущихся в одном измерении. Вы можете настроить начальное положение, начальную скорость и ускорение каждого из автомобилей.Когда нажата кнопка запуска, вы можете наблюдать за анимацией движения машин, а также видеть график зависимости положения от времени для каждой из машин.

    Движение снаряда

    Исследуйте движение снаряда, изменяя начальные условия и наблюдая за происходящими изменениями в движении снаряда.

    Изучение концепций движения снаряда

    С помощью этого моделирования учащиеся могут исследовать различные типы движения снаряда.Четыре снаряда запускаются по ровной поверхности под углами 20, 30, 45 и 60 градусов. У вас есть возможность установить для них одинаковый горизонтальный диапазон, одинаковую максимальную высоту или одинаковую начальную скорость. Затем учащийся может ответить на концептуальные вопросы о времени нахождения в воздухе, начальной горизонтальной и вертикальной скорости и начальной скорости.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *