Магнитное поле в генераторе создается

Инфофиз

Урок 43-3 Устройство и принцип работы генератора переменного тока

Рассмотрим замкнутый контур (рамку) площадью S, помещенный в однородное магнитное поле, индукция которого равна B. Контур равномерно вращается вокруг оси OO’ с угловой скоростью ω.

Магнитный поток, пронизывающий контур, определяется формулой Ф = BS cosΔφ, где Δφ — угол между вектором нормали n к плоскости контура и вектором В. Рамка вращается внутри магнита с частотой v, и за время t совершает N = vt оборотов. За оборот рамка поворачивается на угол 2π рад. Угол на который поворачивается рамка за время t: Δφ = 2π vt = ωt, тогда изменение магнитного потока ΔФ = BS cos Δφ = BS cos ωt .

В замкнутом контуре возникает э.д.с. индукции, которая по закону электромагнитной индукции равна скорости изменения магнитного потока .

Тогда получим мгновенное значение э.д.с.

e = — Ф’ = — (BS cos ωt)’ = BSω sin ωt

Следовательно э.д.с. индукции, возникающая в замкнутом контуре, при его равномерном вращении в однородном магнитном поле меняется со временем по закону синуса. Э.д.с. индукции максимальна при sin ωt = 1, т.е. α = ωt = π/2

Величина ε₀ = ωBS – называется амплитудным значением э.д.с. индукции.

Если такой контур замкнуть на внешнюю цепь, то по цепи пойдет ток, сила и направление которого изменяются. Такая рамка, вращающаяся в магнитном поле является простейшимгенератором переменного тока.

В нашей стране используется переменный ток частотой 50 Гц (в США – 60 Гц). Такой ток вырабатывается генераторами.

Генераторы электрического тока – это устройства для преобразования различных видов энергии – механической, химической, тепловой, световой и др. – в электрическую.

Работа генератора переменного тока основана на явлении электромагнитной индукции.

В настоящее время имеется много различных типов генераторов. Но все они состоят из одних и тех нее основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС — электродвижущая сила (в рассмотренной модели генератора это вращающаяся рамка).

Неподвижную часть генератора называют статором, а подвижную – ротором.

Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока (Ф_m = BS) через каждый виток.

В изображенной на рисунке модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором. Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно было бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной. К концам обмотки ротора присоединены контактные кольца. Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью.

Модель генератора переменного тока.

Промышленные генераторы имеют намного большие размеры, для увеличения напряжения, снимаемого с клемм генератора, на рамки наматывают не один, а много витков. Во всех промышленных генераторах переменного тока витки, в которых индуцируется переменный ток, устанавливают неподвижно, а вращается магнитная система. Если ротор вращать с помощью внешней силы, то вместе с ротором будет вращаться и магнитное поле, создаваемое им, при этом в проводниках статора будет индуцироваться э.д.с.

Принцип действия генератора переменного тока следующий. Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, — в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим для увеличения потока магнитной индукции.

В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки.

Структурная схема генератора переменного тока.

Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том левее валу (В настоящее время постоянный ток в обмотку ротора чаще всего подают из статорной обмотки этого же генератора через выпрямитель).

В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.

Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.
Современный генератор электрического тока — это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.

Как возникает электрический ток в генераторных станциях? Устройство генератора.

Генератор – это устройство преобразования других форм энергии в электроток. Принцип работы генератора кроется в возникновении электромагнитной индукции, электродвижущей силы под воздействием вращающегося магнитного поля. Благодаря однородности последнего и вращению с равномерной скоростью возникает синусоидальная ЭДС.

Генератор переменного тока

Работа генератора предполагает наличие статора и ротора, вращением которого и обеспечивается ЭДС. Как правило, используется компоновка с неподвижной внешней обмоткой статора и магнитным ротором, хотя строение генератора может быть и обратным, с неподвижным магнитом и на скользящих контактах.

Корпус статора компонуется из изолированных металлических частей, с внутренней стороны крепится статорная обмотка. Ротор – из цельного железа, с листовыми наборными магнитными полюсами. На сердечники установлены возбуждающие катушки, запитанные от постоянного тока, приходящего на контактные кольца со щёточных контактов. Существуют следующие конструктивные варианты по току возбуждения:

• от стороннего источника энергии – батареи или аккумулятора (независимое возбуждение);
• от возбудителя, генерирующего постоянный ток меньшей мощности на том же валу (возбудителя);
• от инвертора – выпрямленным током самого генератора (самовозбуждение);
• с помощью постоянного магнита.

Доступны агрегаты однофазной и трёхфазной компоновки. Под фазами понимается сдвиг нескольких синусоид относительно друг друга по времени. Для трёхфазных возможно соединение обмоток типа «треугольник» или «звёздочка». Используется и четвёртый, нейтральный провод – для выравнивания перекоса фаз.

Генератор постоянного тока

Получение постоянного тока происходит благодаря неподвижным магнитным катушкам возбуждения, при этом ток генерируется во вращающихся катушках ротора. Концы активных сторон присоединяются к изолированным полукольцам. Так как полукольца вращаются с токогенерирующим контуром, работа генератора возможна только благодаря неподвижным контактам-щёткам. Они попеременно касаются одного и второго полукольца – так полярность остаётся неизменной.

Инверторные генераторы

Принцип действия генератора тот же, но используется инвертор с выпрямляющим и корректирующим контуром. Переменный ток трансформируется в постоянный и вновь в переменный с целью сглаживания напряжения, частоты и формы синусоиды. Инверторный генератор, принцип работы которого предполагает вторичное преобразование тока, наиболее подходит для чувствительных приборов-потребителей электроэнергии.

Возникновение тока в генераторах

Задача генератора — преобразование энергии в электрический ток. Основывается его принцип работы на электромагнитной индукции, возникновении электродвижущей силы при вращающемся магнитном поле. Однородное вращение магнитного поля с одинаковой скоростью и обеспечивает синусоидальную ЭДС.

Генератор переменного тока

Устройство оснащается ротором и статором, которые вращаются и обеспечивают ЭДС. Чаще всего используется компоновка с магнитным ротором и внешней неподвижной обмоткой статора. Встречаются устройства и с обратным строением, где магнит неподвижен на скользящих контактах.

Состоит корпус статора из металлических частей, изолированных друг от друга. Крепится обмотка на внутренней стороне. Сам же ротор изготавливают из железа с наборными магнитными полюсами.

Возбуждающие катушки устанавливаются на сердечники. В зависимости от тока возбуждения выделяют разные конструктивные элементы:

• От стороннего источника. К ним относится аккумулятор, батареи.
• От возбудителя, который генерирует постоянный в валу ток меньшей мощности.
• От инвертора.
• За счет постоянного магнита.

Существуют агрегаты как одно-, так и трехфазной компоновки. Фазы – сдвиг синусоидов относительно друг друга. Для трехфазных устройств используется обмотка «звездочка» или «треугольник», также есть нейтральный провод для перекоса фаз.

Генератор постоянного тока

Образуется постоянный ток за счет магнитных неподвижных катушек. Генерируется он в катушках ротора при их вращении. Присоединение концов осуществляется к изолированным полукольцам и они вращаются с контуром, генерирующим ток. Работает генератор только за счет неподвижных контакт-щеток. Благодаря попеременному касанию полуколец полярность не меняется.

Инверторные генераторы

Их принцип работы идентичен агрегатам постоянного тока, но только используется инвертор. Ток же трансформируется то в переменный, то в постоянный за счет сглаживания напряжения, формы и частоты синусоиды.

Подходит инверторный генератор для чувствительных электроприборов, так как он предполагает вторичное преобразование тока.

Словарь специальных терминов

Магнитное поле, силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения. Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции В, который определяет: силу, действующую в данной точке поля на движущийся электрический заряд; действие магнитного поля на тела, имеющие магнитный момент, а также другие свойства магнитного поля.

Впервые термин «магнитное поле» ввёл в 1845 г. М. Фарадей, считавший, что как электрические, так и магнитные взаимодействия осуществляются посредством единого материального поля. Классическая теория электромагнитного поля была создана Дж. Максвеллом (1873), квантовая теория — в 20-х годах XX века.

Источниками макроскопического магнитного поля являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела. Природа этих источников едина: магнитное поле возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магнитного момента.

Магнитное поле электрического тока определяется Био-Савара законом: магнитное поле тел, имеющих магнитный момент, — формулами, описывающими поле магнитного диполя (в общем случае — мультиполя).

Переменное магнитное поле возникает также при изменении во времени электрического поля. В свою очередь, при изменении во времени магнитного поля возникает электрическое поле. Полное описание электрического и магнитного полей в их взаимосвязи дают Максвелла уравнения. Для характеристики магнитного поля часто вводят силовые линии поля (линии магнитной индукции). Касательная в каждой точке такой линии имеет направление вектора В в этой точке. Числом силовых линий, проходящих через единичную перпендикулярную к ним площадку, количественно определяют индукцию поля. В местах повышенных значений В линии индукции сгущаются, в тех же местах, где поле слабее, линии расходятся.

Для магнитного поля наиболее характерны следующие проявления.

1. В постоянном однородном магнитном поле на магнитный диполь с магнитным моментом p_m действует вращающий момент N = [р_m В] (так, магнитная стрелка в магнитном поле поворачивается по полю; виток с током I, также обладающий магнитным моментом, стремится занять положение, при котором его плоскость была бы перпендикулярна линиям индукции; атомный диполь прецессирует вокруг силовой линии с характеристической частотой).
2. В постоянном однородном магнитном поле действие силы Лоренца приводит к тому, что траектория движения электрического заряда имеет вид спирали с кривизной, обратно пропорциональной скорости. Искривление траектории электрических зарядов под действием силы Лоренца сказывается, например, в перераспределении тока по сечению проводника при внесении его в магнитное поле. Этот эффект лежит в основе гальваномагнитных, термомагнитных и других родственных им явлений.
3. В пространственно неоднородном магнитном поле на магнитный диполь действует сила F, перемещающая диполь в направлении градиента поля: F = grad (p_mB); так, пучок атомов, содержащий атомы с противоположно ориентированными магнитными моментами, в неоднородном магнитном поле разделяется на два расходящихся пучка.
4. Магнитное поле, непостоянное во времени, оказывает силовое действие на покоящиеся электрические заряды и приводит их в движение; возникающий при этом в контуре ток I_инд своим магнитным полем В_индпротиводействует изменению первоначального магнитного поля.

Магнитная индукция В определяет среднее макроскопическое магнитное поле, создаваемое в данной точке поля как токами проводимости (движением свободных носителей зарядов), так и имеющимися намагниченными телами (ионами и атомами вещества). Магнитное поле, созданное токами проводимости и не зависящее от магнитных свойств вещества, характеризуется вектором напряжённости магнитного поля Н = В — 4 pJ или Н = (В / m₀) — J (соответственно в СГС системе единиц и Международной системе единиц). В этих соотношениях вектор J — намагниченность вещества (магнитный момент единицы его объёма), m₀ — магнитная постоянная.

Отношение m = В / m₀Н, определяющее магнитные свойства вещества, называется его магнитной проницаемостью. В зависимости от величины m вещества делят на диамагнетики (m<1) и парамагнетики (m>1), вещества с m>>1 называются ферромагнетиками.

Объёмная плотность энергии магнитного поля в отсутствии ферромагнетиков: w_M = mH 2 / 8p или w_M = BH / 8p (в единицах СГС); w_M = mm₀H 2 / 2 или BH / 2 (в единицах СИ). В общем случае w_M = 1 /₂ dHdB, где пределы интегрирования определяются начальными и конечными значениями магнитной индукции В, сложным образом зависящей от поля Н.

Для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ применяют различного типа магнитометры. Единицей индукции магнитного поля в системе единиц СГС является гаусс (Гс), в Международной системе единиц — тесла (Тл), 1 Тл = 10 4 Гс. Напряжённость измеряется, соответственно, в эрстедах (Э) и амперах на метр (А/м, 1 А/м = 4p/10 3 Э) 0,01256 Э; энергия магнитного поля — в эрг/см 2 или Дж/м 2 , 1 Дж/м 2 = 10 эрг/см 2 .

Магнитные поля в природе чрезвычайно разнообразны как по своим масштабам, так и по вызываемым ими эффектам. Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается до расстояния в 70—80 тысяч км в направлении на Солнце и на многие миллионы км в противоположном направлении. У поверхности Земли магнитное поле равно в среднем 0,5 Гс, на границе магнитосферы ~ 10 -3 Гс. Геомагнитное поле экранирует поверхность Земли и биосферу от потока заряженных частиц солнечного ветра и частично космических лучей. Влияние самого геомагнитного поля на жизнедеятельность организмов изучает магнитобиология. В околоземном пространстве магнитное поле образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий — радиационный пояс Земли. Содержащиеся в радиационном поясе частицы представляют значительную опасность при полётах в космос. Происхождение магнитного поля Земли связывают с конвективными движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре.

Непосредственные измерения при помощи космических аппаратов показали, что ближайшие к Земле космические тела — Луна, планеты Венера и Марс не имеют собственного магнитного поля, подобного земному. Из других планет Солнечной системы лишь Юпитер и, по-видимому, Сатурн обладают собственным магнитным полем, достаточным для создания планетарных магнитных ловушек. На Юпитере обнаружены магнитные поля до 10 Гс и ряд характерных явлений (магнитные бури, синхротронное радиоизлучение и другие), указывающих на значительную роль магнитных полей в планетарных процессах.

Межпланетное магнитное поле — это главным образом поле солнечного ветра (непрерывно расширяющейся плазмы солнечной короны). Вблизи орбиты Земли межпланетное поле ~ 10 -4 —10 -5 Гс. Силовые линии регулярного межпланетного магнитного поля имеют вид идущих от Солнца раскручивающихся спиралей (их форма обусловлена сложением радиального движения плазмы и вращения Солнца). Магнитное поле межпланетной плазмы имеет секторную структуру: в одних секторах оно направлено от Солнца, в других — к Солнцу. Регулярность межпланетного магнитного поля может нарушаться из-за развития различных видов плазменной неустойчивости, прохождения ударных волн и распространения потоков быстрых частиц, рожденных солнечными вспышками.

Во всех процессах на Солнце — вспышках, появлении пятен и протуберанцев, рождении солнечных космических лучей магнитное поле играет важнейшую роль. Измерения, основанные на эффекте Зеемана, показали, что магнитное поле солнечных пятен достигает нескольких тысяч гс, протуберанцы удерживаются полями ~ 10—100 Гс (при среднем значении общего магнитного поля Солнца ~ 1 Гс). Удалённость звёзд не позволяет пока наблюдать у них магнитных полей типа солнечных. В то же время более чем у двухсот так называемых магнитных звёзд обнаружены аномально большие поля (до 3,4·10 4 Гс). Поля ~ 10 7 гс измерены у нескольких звёзд — белых карликов. Особенно большие (~ 10 10 —10 12 Гс) Магнитные поля должны быть, по современным представлениям, у нейтронных звёзд. С магнитным полем космических объектов тесно связано ускорение заряженных частиц (электронов протонов, ядер) до релятивистских скоростей (близких к скорости света). При движении таких частиц в космических магнитных полях возникает электромагнитное синхротронное излучение. Индукция межзвёздного магнитного поля, определённая по Зеемана эффекту (в радиолинии 21 см спектра водорода) и по Фарадея эффекту (вращению плоскости поляризации электромагнитного излучения в магнитном поле), составляет всего ~ 5·10 -6 Гс. Однако общая энергия межзвёздного (галактического) магнитного поля превышает энергию хаотического движения частиц межзвёздного газа и сравнима с энергией космических лучей.

В явлениях микромира роль магнитного поля столь же существенна, как и в космических масштабах. Это объясняется существованием у всех частиц — структурных элементов вещества (электронов, протонов, нейтронов) магнитного момента, а также действием магнитного поля на движущиеся электрические заряды. Если суммарный магнитный момент М частиц, образующих атом или молекулу, равен нулю, то такие атомы и молекулы называются диамагнитными. Атомы (ионы, молекулы) с М ¹ 0 называются парамагнитными. У всех атомов (как с М = 0, так и с М ¹ 0) при наложении внешнего магнитного поля возникает индуцированный магнитный момент, направленный навстречу намагничивающему полю. Однако у парамагнитных атомов в магнитном поле этот эффект маскируется преимущественным поворотом их магнитных моментов по полю. У парамагнетиков и ферромагнетиков намагниченность увеличивается с ростом внешнего магнитного поля (до состояния насыщения). Вид кривых намагничивания ферромагнетиков (и антиферромагнетиков) в значительной степени определяется магнитным взаимодействием атомных носителей магнетизма. Это взаимодействие обусловливает также большое разнообразие типов атомной магнитной структуры у ферримагнетиков (ферритов).

Внутрикристаллическое магнитное поле, измеренное в ферримагнетиках (ферритах-гранатах) на ядрах ионов железа, оказалось ~ 5·10 5 Гс, на ядрах редкоземельного металла диспрозия ~ 8·10 6 Гс. На расстоянии порядка размера атома (~ 10 -8 см) магнитное поле ядра составляет ~ 50 Гс. Внешнее магнитное поле и внутриатомные магнитные поля, создаваемые электронами атома и его ядром, расщепляют энергетические уровни атома (Зеемана эффект); в результате спектры атомов приобретают сложное строение. Расстояния между зеемановскими подуровнями энергии (и соответствующими спектральными линиями) пропорциональны величине магнитного поля, что позволяет спектральными методами определять значение магнитного поля. С возникновением зеемановских подуровней энергии в магнитных полях и с квантовыми переходами между ними связано ещё одно важное физическое явление — резонансное поглощение веществом радиоволн (явление магнитного резонанса). Зависимость положения и формы линий спектра магнитного резонанса от особенностей взаимодействия молекул, атомов, ионов, а также ядер в жидкостях и твёрдых телах даёт возможность исследовать при помощи электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР) структуру жидкостей, кристаллов и сложных молекул, кинетику химических и биохимических реакций.

Магнитное поле способно заметно влиять на оптические свойства среды и процессы взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, вызывать гальваномагнитные явления и термомагнитные явления в проводниках и полупроводниках. Магнитное поле оказывает влияние на сверхпроводимость веществ: при достижении определённой величины магнитное поле разрушает сверхпроводимость. Магнитное поле при намагничивании ферромагнитных тел изменяет их форму и упругие свойства. Особые свойства в магнитных полях приобретает плазма. Магнитное поле препятствует движению заряженных частиц плазмы поперёк силовых линий поля. Этот эффект используется, например, для термоизоляции плазмы и обеспечения её устойчивости в установках для изучения свойств высокотемпературной плазмы.

Применение магнитных полей в науке и технике. Магнитные поля обычно подразделяют на слабые (до 500 Гс), средние (500 Гс — 40 кГс), сильные (40 кгс — 1 МГс) и сверхсильные (свыше 1 МГс). На использовании слабых и средних магнитных полей основана практически вся электротехника, радиотехника и электроника. В научных исследованиях средние магнитные поля нашли применение в ускорителях заряженных частиц, в Вильсона камере, искровой камере, пузырьковой камере и других трековых детекторах ионизующих частиц, в масс-спектрометрах, при изучении действия магнитного поля на живые организмы и т.д. Слабые и средние магнитные поля получают при помощи магнитов постоянных, электромагнитов, неохлаждаемых соленоидов, магнитов сверхпроводящих.

Магнитные поля до ~500 кГс широко применяются в научных и прикладных целях: в физике твёрдого тела для изучения энергетических спектров электронов в металлах, полупроводниках и сверхпроводниках; для исследования ферро- и антиферромагнетизма, для удержания плазмы в МГД-генераторах и двигателях, для получения сверхнизких температур, в электронных микроскопах для фокусировки пучков электронов и т.д. Для получения сильных магнитных полей применяют сверхпроводящие соленоиды (до 150—200 кГс), соленоиды, охлаждаемые водой (до 250 кГс), импульсные соленоиды (до 1,6 МГс). Силы, действующие на проводники с током в сильных магнитных полях, могут быть очень велики (так, в полях ~ 250 кГс механические напряжения достигают 4·10 8 Н/м 2 , то есть предела прочности меди). Эффект давления магнитного поля учитывают при конструировании электромагнитов и соленоидов, его используют для штамповки изделий из металла. Предельное значение поля, которое можно получить без разрушения соленоида, не превышает 0,9 МГс.

Сверхсильные магнитные поля используют для получения данных о свойствах веществ в полях свыше 1 МГс и при сопутствующих им давлениях в десятки млн. атмосфер. Эти исследования позволят, в частности, глубже понять процессы, происходящие в недрах планет и звёзд. Сверхсильные магнитные поля получают методом направленного взрыва. Медную трубу, внутри которой предварительно создано сильное импульсное магнитное поле, радиально сжимают давлением продуктов взрыва. С уменьшением радиуса R трубы величина магнитного поля в ней возрастает ~ 1/R 2 (если магнитный поток через трубу сохраняется). Магнитное поле, получаемое в установках подобного типа (так называемых взрывомагнитных генераторах), может достигать нескольких десятков МГс. К недостаткам этого метода следует отнести кратковременность существования магнитного поля (несколько микросекунд), небольшой объём сверхсильного магнитного поля и разрушение установки при взрыве.