1. Принципы преобразования механической энергии в электрическую и обратно.
Электрические машины предназначены для преобразования механической энергии в электрическую (генераторы) и электрической энергии в механическую (двигатели). Принцип действия всех электромашин основан на законе электромагнитной индукции и возникновении электромагнитной силы.
При перемещении прямолинейного проводника, замкнутого через внешнюю цепь на нагрузку, с постоянной скоростью в однородном магнитном поле в проводнике индуктируется неизменяющаяся э.д. с. электромагнитной индукции, а в замкнутой цепи возникает электрический ток (рис. 22, а) . Направление э. д. с. в проводнике определяют по правилу правой руки (рис. 22,в), а ее величину — по формуле
E=Blv sin а, (21)
где В — магнитная индукция, характеризующая интенсивность магнитного поля; l — активная длина проводника, пронизываемая силовыми линиями магнитного поля, м; v — скорость перемещения проводника в магнитном поле, м/с: а — угол между направлением скорости движения проводника и направлением вектора магнитной индукции.
Если проводник движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то а=90°, a э. д. с. будет максимальной:
Направление тока в проводнике совпадает с направлением э. д. с.
На проводник с током действует электромагнитная сила (Н).Эта сила препятствует перемещению проводника в магнитном поле. Направление электромагнитной силы определяют по правилу левой руки (рис. 22,г). Для ее преодоления необходима внешняя сила. Чтобы проводник перемещался с постоянной скоростью, необходимо приложить внешнюю силу, равную по величине и противоположно направленную электромагнитной силе.
Из сказанного следует, что механическая мощность, затрачиваемая на движение проводника в магнитном поле, преобразуется в электрическую мощность в цепи проводника.
В судовых генераторах внешняя сила создается первичными двигателями (дизелем, турбиной).
Преобразование электрической энергии в механическую. При пропускании электрического тока одного направления через прямолинейный проводник, расположенный в однородном магнитном поле, возникает электромагнитная сила, под действием которой проводник перемещается в магнитном поле с линейной скоростью V (рис. 22,б) Направление движения проводника совпадает с направлением действия электромагнитной силы и определяется по правилу левой руки. Во время движения проводника в нем индуктируется э д. с, направленная встречно напряжению U источника электроэнергии. Часть этого напряжения затрачивается на внутреннем сопротивлении проводника R.
Таким образом, электрическая мощность в проводнике, преобразуется в
механическую и частично расходуется на тепловые потери проводника Именно на этом принципе основана работа электродвигателей.
2. Принципы получения переменного и постоянного тока.
В реальных электрических машинах проводники конструктивно изготовляют в виде рамок. Для уменьшения магнитного сопротивления машины, а следовательно, для увеличения значений э. д. с. и к. п. д. в генераторах, вращающего момента и к. п. д в электродвигателях активные стороны рамки укладывают в пазы цилиндрического стального сердечника (якоря), который совместно с закрепленной на нем рамкой может свободно вращаться в магнитном поле. Для этой же цели полюсам магнита придают особую форму, при которой силовые линии поля всегда направлены перпендикулярно направлению движения активных сторон рамки, а магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсами и якорем распределена равномерно (рис. 23,а).
Если при помощи сторонней силы якорь вместе с рамкой вращать в магнитном поле полюсов, то в соответствии с законом электромагнитной индукции в активных сторонах аЬ и cd рамки индуктируются э. д. с, направленные в одну сторону и суммируемые.
При переходе активных сторон через плоскость, перпендикулярную магнитному полю, индуктируемые в них э. д. с. меняют свое направление. В рамке будет действовать э д. с, переменная как по величине, так и по направлению. Если концы рамки через контактные кольца соединить с внешней целью, то в цепи будет протекать переменный ток.
Рис 23 Принцип получения переменного тока
1 — щетки. 2 — контактные кольца, 3 — стальной сердечник; 4 —рамка
Для выпрямления тока электрическая машина снабжена специальным устройством — коллектором. Простейший коллектор представляет собой два изолированных полукольца, к которым присоединяют концы вращающейся в магнитном поле рамки (рис. 24,а).
С внешней цепью коллекторные пластины соединены при помощи неподвижных щеток, рабочие поверхности которых свободно скользят по вращающемуся коллектору 2. Щетки на коллекторе устанавливают так, чтобы они переходили с одного полукольца на другое в тот момент, когда индуктируемая в рамке э. д. с. равна нулю. При повороте на 90°, когда рамка займет горизонтальное положение, в ее проводниках э. д. с. не индуктируется, так как они не пересекают магнитного поля. Ток в контуре также равен нулю.
Рис 24. Принцип получения постоянного тока
При перемещении еще на 90* рамка снова займет вертикальное положение, ее проводники поменяются местами и направление э. д. с и тока в них изменится. Так как щетки неподвижны, то к щетке 3 (+) по-прежнему подходит ток от рамки и далее через приемник направляется к щетке 1(-). Таким образом, во внешней цепи направление тока не изменяется.
График выпрямленных э д с и тока изображен на рис. 24,6. Выпрямленный ток имеет пульсирующий характер. Пульсацию тока можно уменьшить увеличением числа рамок, вращающихся в магнитном поле машины, и соответственно числа коллекторных пластин.
Преобразование механической энергии в электрическую
Впервые Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта в своих работах научились преобразовывать химическую энергию в электрическую в конце 18 века. И хотя энергетически это не сильно обогатило человечество — результатами изобретенных ими батареек мы пользуемся с большой благодарностью. Гениальное открытие Майкла Фарадея о возможности преобразования механической энергии в электрическую -резко изменило качество всей жизни на Земле. Когда Фарадей на заседании Лондонского научного общества докладывал о своем изобретении, Лорды не совсем поняли пользу этого новшества. На что Фарадей и сам сказал, что пока не знает как этим распорядиться, Но заметил, что в следующем веке правительство с этого открытия будет снимать очень большие налоги.
Мы построили модели Фарадея для постоянного и переменного тока. Их отличие, что в генераторе постоянного тока магниты неподвижны, а вращается катушка с проводником, а в генераторе переменного тока катушка неподвижна, а вращаются магниты.. Сейчас даже не надо собирать модель. На AliExpress есть недорогие модели таких генераторов, Хотя там и приводятся графики нарастания и убывания электрического тока, но физика процесса не объяснена.
Вот на это нам бы и хотелось обратить Ваше внимание. Как такогого тока никто не видел. Мы только видим результаты его воздействия, и только с открытием Периодического Закона Д.И. Менделеева сложилась картина , объясняющая физическую сущность фарадеевского открытия. Электри́ческий ток — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда. Такими носителями могут являться: в металлах — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы. Например, металлы в отличии от диэлектриков легко
расстаются с электронами, находящимися на верхних орбитах своих атомов под воздействием разности потенциалов, находящихся на концах проводника. Прохождение электрического тока порождает магнитное поле.
Эти два явления неразрывно связаны и не существуют друг без друга. Появление одного одновременно порождает другое. Это явление используется в производстве, когда сильными электромагнитами машины поднимают и переносят тяжелые чушки, выбирают из куч металлический лом…Почему же в природе мы не встречаем естественных постоянных магнитов и откуда они берутся. Оказывается многие элементы периодической системы Менделеева и их различные сплавы являются потенциальными магнитами, обладающие различной силой магнитных свойств. И становятся они магнитами при воздействии на них разной интенсивности магнитным полем. Эта обширная научная тема, о которой мы расскажем в дальнейшем. Факт тот, что при протекании электрического тока на проводник действует выталкивающая сила (Правило правой руки). В отсутствие тока нет магнитного поля, а сами эти материалы состоят из огромного количества мизерных магнитиков плюсы и минусы которых направлены случайным образом в разные стороны. Таким образом полярности эти материалы не имеют и появляется она только при протекании электрического тока, когда эти микромагниты выстраиваются в едином порядке. И разворачивают материал по правилу правой руки (Сила Ампера) При прекращении подачи тока этот порядок снова нарушается и материал утрачивает свои магнитные свойства.
Для того чтобы создать постоянный магнит нужно 1. Иметь материал с соответствующими магнитными свойствами (ферриты, сплавы…) 2. Механически не позволить материалам перемещаться в пространстве. 3 Подать на материал сильное магнитное поле ( например накопив сильный электрический заряд в батарее конденсаторов). В результате не имея возможности материалу развернутся произойдет необратимый разворот внутренних микромагнитов вещества. Все — мы получили постоянный магнит. Теперь вращая катушку с проводом вокруг двух магнитов с отрицательным и положительным полюсом мы получим генератор постоянного тока, а вращая магнит вокруг неподвижной катушки получим генератор переменного тока
Файлы 1
Преобразование механической энергии в электрическую
Электрические машины, которые предназначены для преобразования механической энергии в электрическую называют генераторами.
Устройство, которое вырабатывает переменный ток, называют генератором переменного тока.
Принципиальная основа генератора переменного тока
Конструкция генераторов электрического тока в настоящее время основывается на использовании явления электромагнитной индукции.
В генераторах энергия механического движения трансформируется в энергию электрического тока, так сторонние электродвижущие силы (ЭДС) обладают механической природой.
ЭДС можно получить двумя способами:
- если в неподвижном магнитном поле катушка будет вращаться;
- вращаться станет магнитное поле, а катушка будет неподвижна.
Статья: Преобразование механической энергии в электрическую
Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов
Допустим, что переменный ток получают при вращении катушки в стационарном магнитном поле. Для упрощения будем полагать, что в однородном магнитном поле равномерно вращается проводящая рамка (один виток). При этом:
- площадь рамки составляет $\Delta S$,
- скорость ее вращения $\omega$,
- угол между нормалью к плоскости рамки $\vec n$ и вектором магнитной индукции $\vec B$ составляет $\alpha$.
Магнитный поток, который пронизывает рамку, равен:
$Ф’=B\Delta S cos (\alpha) (1).$
В каждый момент времени $t$ положение витка по отношению к вектору магнитной индукции задается при помощи угла $\alpha = \omega t$. В этом случае выражение (1) можно представить как:
$Ф’=B\Delta S cos (\omega t) (2).$
В соответствии с законом электромагнитной индукции в нашем витке появляется ЭДС индукции, равная:
$\epsilon_i’=-\frac=B\Delta S \omega sin (\omega t) (3).$
При вращении катушки, имеющей $N$ витков магнитный поток равен:
что увеличивает амплитуду ЭДС в $N$ раз, соответственно:
$\epsilon_i=NB\Delta S \omega sin (\omega t) (4).$
«Преобразование механической энергии в электрическую»
Помощь эксперта по теме работы
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов
Амплитуда ЭДС получается равной:
$\epsilon_m=NB\Delta \omega (5).$
Величину $\epsilon_m$ называют еще амплитудой напряжения, которое создает генератор переменного тока, рассматриваемого вида.
Выражение (5) часто записывают в виде:
$\epsilon_i= \epsilon_m \ sin (\omega t (6).$
Выражение (6) указывает на то, что ЭДС изменяется периодически по гармоническому закону (закону синуса).
Реализация принципа генерации переменного тока
На сегодняшний момент создано и применяют большое число генераторов переменного тока различных конструкций. Например, технический переменный ток получают при помощи генератора, в котором:
- ЭДС возникает в результате вращения проволочной обмотки.
- Концы обмотки соединяют с двумя изолированными медными кольцами, которые называют контактными.
- Данные кольца укреплены на оси машины с помощью прижимных проводников (щеток), изготавливаемых из меди или графита. Щетки включают в замкнутую цепь тока, не нарушая вращение обмотки.
Для увеличения ЭДС, из формулы (6) следует, что нужно увеличить магнитный поток. С этой целью стараются сделать сопротивление магнитной цепи наименьшим. Поэтому магнитную систему конструируют из пары железных сердечников:
- наружного стационарного сердечника в виде кольца и
- внутреннего, совершающего вращение цилиндра.
Воздушный зазор между сердечниками стараются сделать минимальным.
Генератор, обычно обладает двумя обмотками:
- одной, расположенной в пазах, на внутренней стороне неподвижного сердечника (статора);
- второй, находящейся на внутренней стороне (в пазах) вращающегося сердечника (ротора).
Одна обмотка генерирует магнитный поток, вторая является рабочей, в ней создается переменная ЭДС.
Обратим внимание на один из них – генератор трехфазного тока, который создал М.О. Доливо-Добровольский в 1890 году.
Этот генератор имеет три одинаковые катушки. Их оси находятся в одной плоскости, которая параллельна магнитному полю, при этом углы между осями катушек составляют $120^0 C$. Токи индукции возбуждаются сразу во всех трёх катушках одномоментно, сдвиг фаз этих токов составляет $120^0$. Токи с несколькими фазами дают возможность получать в нагрузке вращающиеся магнитные поля. В этих магнитных полях совершают вращения магниты или замкнутые контуры. Получаемые таким образом токи удобно использовать для трансформации электрической энергии в механическую в электрических двигателях.
Генератор постоянного тока
Для получения постоянного (прямого) тока, переменная ЭДС, индуцируемая в обмотке ротора, с помощью коллектора подлежит выпрямлению.
Замечание 1
Коллектор – вращающийся переключатель.
Самый простой генератор постоянного тока:
- может иметь обмотку, которая содержит один виток;
- в состав его коллектора входят два изолированных полуцилиндра из меди, расположенных на оси машины, к этим цилиндрам присоединяют обмоточные концы;
- пара щеток, прижимаемых к пластинам коллектора, реализуют подключение обмотки в цепь тока.
Поясним принципы работы коллектора. Напряжение между концами обмотки коллектора изменяется по гармоническому закону (закон синуса) (6) (рис.1(а)). При каждой половине оборота коллектор коммутирует (осуществляет переключение) концы обмотки. В результате на щетках возникает напряжение, которое можно изобразить кривой рис.1 (б). Данный генератор выдает пульсации тока, у которого постоянно направление, но величина изменяется.
Рисунок 1. Принципы работы коллектора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Поскольку коллектор совершает вращение, то соединяемую с ним обмотку делают вращающейся. Она располагается на внутреннем сердечнике из железа, который находится на оси генератора. Чтобы получить постоянный ток обмотку делят на несколько секций и используют многопластинчатые коллекторы.
В современных генераторах большой мощности используют электромагниты.
Свойства генератора постоянного тока значительным образом зависят от того, каким образом осуществляется соединение обмотки возбуждения с якорем. В зависимости от способа соединения генераторы делят на:
- шунтовые генераторы, в которых реализуется параллельное возбуждение;
- сериесные генераторы, с последовательным соединением;
- компаундные генераторы, в которых используется смешанное возбуждение.
В генераторах первого типа обмотка возбуждения соединяется с якорем параллельно. Ток, питающий электромагнит составляет от 1% до 5% тока якоря. При этом сопротивление обмотки возбуждения существенно меньше сопротивления якоря.
В сериесных генераторах обмотка возбуждения соединена с якорем при помощи последовательного соединения. Так как ток проходит по обмотке возбуждения полностью, для уменьшения потерь напряжения необходимо, чтобы сопротивление обмотки было много меньше, чем сопротивление якоря.
Преобразование механической энергии в электрическую
Абсолютно любое направления использования электрической энергии заключается в ее преобразовании в другие необходимые для нас виды энергии. И вся привлекательность использования именно электрической энергии заключается в удобстве, эффективности ее преобразования.
Мы можем получить из электрической энергии механическую, световую, тепловую и другие виды энергии, без каких-либо усилий и с максимальной эффективностью. Так же мы можем преобразовывать энергию света, тепла, ветра, в электрическую энергию, но уже предварительно преобразовав их в механическую энергию. Таким образом можно понять, что в большинстве случаев электрическую энергию получают из механической.
Для более точного понимания физического смысла этого явления предлагаю провести следующий опыт.
Возьмем дугообразный магнит, между его полюсами расположим проводник, например, отрезок медной проволоки, при этом к концам этой проволоки подключим гальванометр (прибор, способный обнаружить электрический ток). Если мы переместим медную проволоку относительно магнита, то можно заметить, что в момент перемещения проволоки стрелка гальванометра отклонилась, как только прекратим движение проволоки стрелка прибора вернется в исходное положение. Также если вместо проволоки перемещать магнит, то эффект будит тоже. Если перемещать не проводник, а сам магнит относительно проводника, то в этой цепи также наводится ЭДС. Даже если перемещать проводник и магнит одновременно, но на встречу друг другу или в одном направлении, в проводнике и при этом случаи будит наводиться ЭДС.
Дело в том, что между полюсами магнита, где располагается проводник, проходят невидимые линии магнитной индукции, количество этих линий, пронизывающих этот проводник, называется магнитным потоком. Стоит отметить, что в проводнике ЭДС будит индуцироваться только при изменении магнитного потока.
Отклонение стрелки гальванометра (протекание тока в проводнике) объясняется явлением электромагнитной индукции, которое заключается в том, что при пересечении проводника линиями магнитной индукции, на концах этого проводника возникает (индуцируется) электродвижущая сила ЭДС, другими словами на концах наводится напряжение. И если мы к этому проводнику подключим, например, лампочку, то она в момент перемещения проводника будит загораться, то есть по получившейся цепи будит протекать электрический ток.
Явление магнитной индукции было открыто в 1831 году Майклом Фарадеем. Он провел аналогичный опыт, при котором опускал в катушку постоянный магнит, катушка была подключена к гальванометру, который в момент движения магнита фиксировал протекание тока.
Стоит учитывать, что основными условиями протекания тока по проводнику, является наличие замкнутой цепи и изменение количества пересекаемых линий магнитной индукции, то есть движение проводника относительно магнитного поля или магнитного поля относительно проводника.
На явлении магнитной индукции основывается работа большинства электрических машин, таких как трансформаторы, асинхронные двигатели, синхронные генераторы и так далее.
На всех современных электрических станциях, в настоящее время, для преобразования механической энергии в электрическую, применяются синхронные генераторы. В них проводник остается неподвижным и находится на статоре, а вот магнитное поле, создаваемое электромагнитами, состоящие из катушек постоянного тока располагаются на якоре машины. При вращении якоря, магнитный поток, пронизывающий обмотки статора, индуцирует в ней переменное напряжении частотой прямо зависящей от частоты вращения якоря.
Так же в электроэнергетике существуют множество других генераторов (преобразователей электрической энергии), такие как: асинхронные электрогенераторы, генераторы постоянного тока, но они мало используются. И в большинстве случаев устанавливается в местах где они действительно необходимы и называются специализированными.