Zasada działania generatora
Generatory to maszyny zamiana energii mechanicznej na energię elektryczną… Zasada działania generatora opiera się na zjawisko indukcji elektromagnetycznej, gdy EMF jest indukowany w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym i przecinającym jego siły magnetyczne. Dlatego taki przewodnik może być przez nas uważany za źródło energii elektrycznej.
Metoda uzyskiwania indukowanego pola elektromagnetycznego, w której drut porusza się w polu magnetycznym, poruszając się w górę lub w dół, jest bardzo niewygodna w praktycznym zastosowaniu. Dlatego w generatorach stosuje się nie prostoliniowy, ale obrotowy ruch drutu.
Głównymi częściami każdego generatora są: układ magnesów lub częściej elektromagnesów, wytwarzających pole magnetyczne oraz układ przewodów przecinających to pole magnetyczne.
Weźmy drut w postaci zakrzywionej pętli, którą będziemy dalej nazywać ramką (ryc. 1), i umieśćmy go w polu magnetycznym tworzonym przez bieguny magnesu. Jeśli takiej ramie zostanie wprawiony ruch obrotowy wokół osi 00, to jej boki zwrócone w stronę biegunów przetną linie pola magnetycznego i zaindukuje się w nich siła elektromotoryczna.
Ryż. 1. Indukcja pola elektromagnetycznego w przewodniku (ramie) w kształcie dzwonu obracającym się w polu magnetycznym
Podłączając żarówkę do ramy za pomocą miękkich drutów, zamkniemy w ten sposób obwód i światło się zaświeci. Żarówka będzie się nadal palić, podczas gdy rama obraca się w polu magnetycznym. Takim urządzeniem jest najprostszy generator, który przekształca energię mechaniczną wydaną na obrót ramy w energię elektryczną.
Taki prosty generator ma dość istotną wadę. Po krótkim czasie miękkie druty łączące żarówkę z obracającą się ramą skręcą się i pękną. Aby uniknąć takich przerw w obwodzie, końce ramki (ryc. 2) są przymocowane do dwóch miedzianych pierścieni 1 i 2, które obracają się razem z ramą.
Pierścienie te nazywane są pierścieniami ślizgowymi. Prąd elektryczny jest kierowany z pierścieni ślizgowych do obwodu zewnętrznego (do żarówki) przez elastyczne płytki 3 i 4 przylegające do pierścieni. Płytki te nazywane są pędzlami.
Ryż. 2. Kierunek indukowanego pola elektromagnetycznego (i prądu) w przewodach A i B ramy obracającej się w polu magnetycznym: 1 i 2 — pierścienie ślizgowe, 3 i 4 — szczotki.
Przy takim podłączeniu ramy obrotowej do obwodu zewnętrznego nie nastąpi rozłączenie przewodów łączących i generator będzie pracował normalnie.
Rozważmy teraz kierunek pola elektromagnetycznego indukowanego w przewodach ramy lub, co jest tożsame, kierunek prądu indukowanego w ramie przy zamkniętym obwodzie zewnętrznym.
Z kierunkiem obrotu ramy, który pokazano na ryc. 2, w lewym przewodniku AA, pole elektromagnetyczne będzie indukowane w kierunku od nas poza płaszczyzną rysunku, aw prawym wybuchu - ze względu na płaszczyznę rysunku na nas.
Ponieważ dwie połówki drutu ramy są ze sobą połączone szeregowo, indukowana w nich siła elektromotoryczna wzrośnie, a na szczotce 4 pojawi się dodatni biegun generatora i ujemny biegun szczotki 3.
Prześledźmy zmianę indukowanego pola elektromagnetycznego, gdy rama obraca się całkowicie. Jeśli rama zgodnie z ruchem wskazówek zegara zostanie obrócona o 90° od pozycji pokazanej na rys. 2, wtedy połówki jego przewodnika w tym momencie będą się poruszać wzdłuż linii pola magnetycznego i indukcja w nich pola elektromagnetycznego ustanie.
Dalszy obrót ramy o kolejne 90° doprowadzi do tego, że druty ramy ponownie przetną linie sił pola magnetycznego (ryc. 3), ale drut AA przesunie się względem linii sił nie od dołu do góry, ale od góry do dołu, podczas gdy drut BB wręcz przeciwnie, przekroczy linie siły, poruszając się od dołu do góry.
Ryż. 3. Zmiana kierunku indukowanego e. itp. s. (i prąd), gdy rama jest obrócona o 180 ° w stosunku do pozycji pokazanej na ryc. 2.
Przy nowym położeniu ramy kierunek indukowanej siły elektromotorycznej w przewodach AL i BB zmieni się w przeciwnym kierunku. Wynika to z faktu, że zmienił się sam kierunek, w którym każdy z tych drutów przecina linie pola magnetycznego. W rezultacie zmieni się również polaryzacja szczotek generatora: szczotka 3 stanie się teraz dodatnia, a szczotka 4 ujemna.
Obracając ramkę dalej, ponownie będziemy mieli ruch drutów AA i BB wzdłuż linii sił magnetycznych, aw przyszłości - powtórzenie wszystkich procesów od początku.
Tak więc podczas jednego pełnego obrotu ramy indukowana siła elektromotoryczna dwukrotnie zmienia swój kierunek, a jej wartość w tym samym czasie również osiąga swoje najwyższe wartości dwukrotnie (gdy przewody ramy przechodzą pod biegunami) i dwukrotnie równą zeru (w momentach ruchu drutów wzdłuż linii pola magnetycznego).
Jest całkiem jasne, że pole elektromagnetyczne, które zmienia kierunek i wielkość, indukuje prąd elektryczny, który zmienia kierunek i wielkość w zamkniętym obwodzie zewnętrznym.
Na przykład, jeśli do zacisków tego najprostszego generatora podłączona zostanie żarówka, to podczas pierwszej połowy obrotu ramy prąd elektryczny płynący przez żarówkę będzie płynął w jednym kierunku, a podczas drugiej połowy skręć w drugą.
Ryż. 4. Krzywa zmiany prądu indukowanego dla jednego obrotu ramy
Krzywa na ryc. 1 daje wyobrażenie o naturze bieżącej zmiany, gdy rama jest obracana o 360 °, czyli w jednym pełnym obrocie. 4. Indukowany jest prąd elektryczny, który nieustannie zmienia wielkość i kierunek prąd przemienny.