Почему основным элементом генератора является рамка вращающаяся в магнитном поле

Переменный электрический ток генератор переменного тока (уч.11кл.Стр.131)

В проводнике, движущемся в постоянном магнитном поле, генерируется электрическое поле, возникает ЭДС индукции.

Основным элементом генератора является рамка, вращающаяся в магнитном поле внешним механическим двигателем.

Найдем ЭДС, индуцируемую в рамке размером a x b, вращающейся с угловой частотой ω в магнитном поле с индукцией В.

Пусть в начальном положении угол α между вектором магнитной индукции В и вектором площади рамки S равен нулю. В этом положении никакого разделения зарядов не происходит.

В правой половинке рамки вектор скорости сонаправлен вектору индукции, а в левой половине противоположен ему. Поэтому сила Лоренца, действующая на заряды в рамке, равна нулю

При повороте рамки на угол 90 о в сторонах рамки под действием силы Лоренца происходит разделение зарядов. В сторонах рамки 1 и 3 возникают одинаковые ЭДС индукции:

Разделение зарядов в сторонах 2 и 4 незначительно, и поэтому ЭДС индукции, возникающими в них, можно пренебречь.

С учетом того, что υ = ω a/2, полная ЭДС, индуцируемая в рамке:

ЭДС, индуцируемую в рамке можно найти из закона электромагнитной индукции Фарадея. Магнитный поток через площадь вращающейся рамки изменяется во времени в зависимости от угла поворота φ = t между линиями магнитной индукции и вектором площади.

При вращении витка с частотой  угол  меняется по закону  = 2πt, и выражение для потока примет вид:

Φ = BS cos(t) = BS cos(2πt)

По закону Фарадея изменения магнитного потока создают ЭДС индукции, равную минус скорости изменения потока:

ε_i = — dΦ/dt = -Φ’ = BSω sin(ωt) = ε_max sin(t) .

где ε_max = BS — максимальная ЭДС, индуцируемая в рамке

Следовательно, изменение ЭДС индукции будет происходить по гармоническому закону.

Если с помощью контактных колец и скользящих по ним щеток соединить концы витка с электрической цепью, то под действием ЭДС индукции, изменяющейся со временем по гармоническому закону, в электрической цепи возникнут вынужденные электрические колебания силы тока – переменный ток.

На практике синусоидальная ЭДС возбуждается не путем вращения витка в магнитном поле, а путем вращения магнита или электромагнита (ротора) внутри статора – неподвижных обмоток, навитых на стальные сердечники.

Это позволяет избежать снятия больших амплитуд напряжения и тока с помощью контактных колец.

Обмотка ротора, создающая магнитное поле, называется – обмоткой возбуждения генератора.

Ротор, как правило, имеет не два, а большее число пар полюсов (обозначение 2p)

Частота генерируемого тока определяется оборотами генератора и числом пар полюсов ротора (2p)

Для увеличения генерируемой ЭДС вместо рамки используют катушку с большим числом витков.

Напряжение, снимаемое с выхода генератора, пропорционально количеству витков обмотки.

При подключении в электрическую цепь генератора переменной ЭДС в цепи возникают вынужденные электромагнитные колебания.

Переменный ток в электрических цепях является результатом возбуждения в них вынужденных электромагнитных колебаний.

Колебания силы тока в цепи являются вынужденными, возникающими под воздействием приложенного переменного напряжения.

Закон изменения тока в нагрузке зависит от характера нагрузки.

Ток нагрузки создает в обмотке статора генератора магнитное поле, направленное против поля ротора, тормозящее генератор. Таким образом нагрузка на приводной двигатель генератора определяется током нагрузки.

Ответы на вопросы «Электромагнетизм. § 36. Генерирование переменного электрического тока»

Для того чтобы генераторы электрического тока были более компактны, в электрическую энергию преобразуется энергия не поступательного, а вращательного движения. В рамке, вращающейся в магнитном поле, возникает ЭДС индукции.

2. Объясните направления разделения зарядов в сторонах рамки при ее вращении в магнитном поле

В начальном положении сила Лоренца, действующая в рамке, равна нулю. При повороте рамки на 90° под действием силы Лоренца происходит разделение зарядов. В сторонах 1 и 3 (см. рис. 119 учебника) возникают одинаковые ЭДС индукции, а разделение зарядов в сторонах 2 и 4 незначительно, поэтому ЭДС индукции, которая возникает в них, можно пренебречь.

3. Нарисуйте один под другим графики зависимости от времени магнитного потока через вращающуюся рамку и ЭДС индукции в ней.

4. Объясните назначение гибких контактов (щеток) в генераторе переменного тока

С помощью гибких контактов (щеток) с колец снимается индуцированный заряд.

5. Почему в реальном генераторе вместо рамки используют катушку с большим числом витков?

Вместо рамки используют ротор (катушку с большим числом витков) для увеличения генерируемой ЭДС.

Источник:

Решебник по физике за 11 класс (Касьянов В.А., 2002 год),
задача №38
к главе «Электромагнетизм. § 36. Генерирование переменного электрического тока».

Упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц

ЭДС в рамке, вращающейся в однородном магнитном поле. В проводнике, движущемся в постоянном магнитном поле, генерируется электрическое поле, возникает ЭДС индукции. Происходит преобразование механической энергии проводника в энергию электрического поля. С целью большей компактности генераторов электрического тока в электрическую энергию преобразуется механическая энергия вращательного дви-

.зделение зарядов >амке, вращающейся шгнитном поле: а = 0; а = 90°

жения, а не поступательного. Основным элементом генератора является рамка, вращающаяся в магнитном поле. Во вращение рамку может приводить паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, гидротурбина и т. д.

Найдем ЭДС, которая индуцируется в рамке со сторонами а и Ъ, вращающейся с угловой скоростью со в магнитном поле с индукцией В (рис. 117).

В начальном положении угол а, образуемый вектором индукции В с вектором площади AS, равен нулю (рис. 117, а). В этом положении рамки разделения зарядов не происходит.

В правой половине рамки вектор скорости со-направлен вектору индукции, в левой — направлен противоположно ему, поэтому сила Лоренца, действующая на заряды в рамке, равна нулю.

При повороте рамки на угол 90° в сторонах рамки под действием силы Лоренца происходит разделение зарядов (рис. 117, б). В сторонах 1 и 3 возникают одинаковые ЭДС индукции

fti = $а = vBb —Разделение зарядов в сторонах 2 и 4 незначительно, и поэтому ЭДС индукции, возникающими в них, можно пренебречь. С учетом того,

полная ЭДС, индуцируемая в рамке,

$_t = 2$_а = coBAS, (88)

где AS = аЪ.

ЭДС, индуцируемую в произвольном положении рамки в момент времени t, можно найти из закона Фарадея. Магнитный поток через площадь рамки изменяется с течением времени из-за изменения угла а = (at между линиями магнитной индукции и вектором площади:

Ф = BAScos со*. (89)

максимальная ЭДС, индуцируемая в рамке; $_и

&BAS.

Электромагнетизм

Гармоническая зависимость $_t(t) приведена на рисунке 118. Частота ЭДС индукции V = — .

Генератор переменного тока. В генераторе переменного тока рамка вращается в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом. (В ряде конструкций рамка неподвижна, а вращается магнит.) Противоположные стороны рамки присоединены к кольцам, с которых с помощью гибких контактов (щеток) снимается индуцированный заряд. Принципиальное устройство генератора переменного тока показано на рисунке III на цветной вклейке, с. 257). Возникающий ток фиксируется осциллографом, а положения рамки показаны через каждую четверть периода ее вращения. При t = 0 и t = Г/2 заряды не разделяются, так как линейные скорости сторон рамки параллельны вектору магнитной индукции В. Когда t = Г/4 и t = ЗГ/4, разделение зарядов на сторонах рамки оказывается одинаковым, однако полярность сигнала, подаваемого на клеммы осциллографа, будет противоположной.

Для увеличения генерируемой ЭДС вместо рамки используют катушку с большим числом витков, называемую ротором. При подключении к щеткам нагрузки, потребляющей электроэнергию, через нее пойдет переменный ток, изменяющийся по гармоническому закону. Закон изменения тока в нагрузке зависит от того, какой элемент электрической цепи используется в качестве нагрузки.

«■ Почему основным элементом генератора является рамка, вращающаяся в магнитном поле?

2. Поясните механизм разделения зарядов в сторонах рамки при ее вращении в магнитном поле.

*■ Нарисуйте один под другим графики зависимости от времени магнитного потока через вращающуюся рамку и ЭДС индукции в ней.

1. Объясните назначение гибких контактов (щеток) в генераторе переменного тока.
2. Почему в реальном генераторе вместо рамки используют катушку с большим числом витков?

1. Прямоугольная рамка со сторонами а = 5смиЬ = 8см вращается вокруг вертикальной оси с периодом Т = 0,02 с в однородном магнитном поле с индукцией В = 0,$5Тл, направленной перпендикулярно оси вращения. Найдите максимальную ЭДС, индуцируемую в рамке, и зависимость ЭДС от времени. ‘v[0_i63 В]
2. Найдите частоту вращения катушки с числом витков N = 20 в однородном магнитном поле с индукцией В — 0,5 Тл, если максимальная ЭДС в катушке f_m = 7,85 В, а площадь сечения одного витка S = 25 см 2 . [50 Гц]
3. Ротор генератора переменного тока, представляющий из себя катушку, содержащую N = 10 витков, каждый площадью S = 1200 см 2 , вращается с постоянной частотой у = 50Гц в магнитном поле с индукцией В = 0,58 Тл. Найдите максимальную ЭДС, индуцируемую в обмотке ротора. [220 В]
4. При полете вертолета плоскость вращения его винта составляет с горизонтом угол а = 30°. Винт радиусом Д = 5м вращается с частотой v = 10 Гц. Найдите разность потенциалов между центром и краем винта. Вертикальная компонента магнитного поля Земли В = 5 • 10~ 4 Тл. [nBvfi2sina = 0,2 В]
5. Проводящая катушка с площадью поперечного сечения S = 100 см 2 состоит из N = 200 витков и равномерно вращается с периодом Т = 20 мс в однородном магнитном поле с индукцией В = 0,2 Тл вокруг оси, перпендикулярной вектору магнитной индукции. Концы катушки замкнуты на резистор сопротивлением R = 100 Ом. Найдите, как изменяется сила тока через резистор со временем, определите частоту изменения силы тока и максимальное значение силы тока.

§ 36. Передача электроэнергии на расстояние

Потери электроэнергии в линиях электропередачи. Электроэнергия производится вблизи источников топлива или гидроресурсов, в то время как ее потребители находятся повсеместно. Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния. При большой длине линии электропередачи ее электрическое сопротивление становится значительным. Это приводит к существенным потерям передаваемой мощности в подводящих проводах, пропорциональной сопротивлению

линии г. Согласно формуле (46) потери мощности в подводящих проводах

Р 2 Р = — г

где Р — мощность источника тока (генератора), U — передаваемое напряжение.

Оценим мощность, теряемую в подводящих проводах.

Крупный город потребляет электрическую мощность порядка 20 МВт. Из-за потерь мощности электростанция должна вырабатывать существенно большую мощность. Сопротивление 1 км двухпроводной линии из

медного провода диаметром 1 см равно: г₁ = р- =1 Ом. Тогда при переда-

че электроэнергии при напряжении 200 В потери мощности на 1 км подводящих проводов составляют:

Р_п = (20 ‘*° 6)2 • 1 = 10 10 Вт/км = 10 7 кВт/км.

При передаче на расстояние 1000 км потери мощности составят 10 10 кВт. За 1 ч в подводящих проводах потери составляют 10 10 кВт • ч. При стоимости одного киловатт-часа 2 р. потери оцениваются в 20 млрд р./ ч. Значительно уменьшить сопротивление линии практически невозможно. Поэтому уменьшение потерь мощности в линиях электропередачи (ЛЭП) достигается за счет повышения передаваемого напряжения. Потери мощности обратно пропорциональны квадрату передаваемого напряжения. Например, электроэнергия от Самарской ГЭС в Москву передается при напряжении 400 кВ. При таком напряжении потери энергии и их стоимость уменьшаются по сравнению с предыдущим вариантом в

(400-10 3 t л («loo — J =4млн Р аз —

Поэтому передача электроэнергии на расстояние требует сначала повышения напряжения с 20 кВ до 400—500 кВ, а затем его снижения до 220 В, сравнительно безопасно используемых потребителем. Подобное изменение напряжения — технически затруднительная проблема при передаче постоянного тока, которая практически отсутствует в линиях электропередачи переменного тока. Это определяет повсеместное применение ЛЭП переменного тока, в которых изменение напряжения осуществляется с помощью трансформаторов.

Схема передачи электроэнергии потребителю. Рассмотрим принципиальную схему передачи электроэнергии от генератора к потребителю

Генератор ЛЭП высокого Промышленное Потребитель

электростанции напряжения предприятие

Принципиальная схема передачи электроэнергии на расстояние и ее распределения

(рис. 119). Обычно генераторы переменного тока на электростанциях вырабатывают напряжение, не превышающее 20 кВ, так как при более высоких напряжениях резко возрастает возможность электрического пробоя изоляции в катушке (обмотке) и в других частях генератора.

Для сохранения передаваемой мощности (снижения потерь мощности) напряжение в ЛЭП должно быть максимальным, поэтому на крупных электростанциях ставят повышающие трансформаторы. Однако напряжение в линии электропередачи ограничено: при слишком высоком напряжении между проводами возникают разряды, приводящие к потерям энергии.

Для использования электроэнергии на промышленных предприятиях требуется значительное снижение напряжения, осуществляемое с помощью понижающих трансформаторов. Дальнейшее снижение напряжения до величин порядка 4 кВ необходимо для энергораспределения по местным сетям, т. е. по тем проводам, которые мы видим на окраинах городов. Менее мощные трансформаторы снижают напряжение до 220 В (напряжение, используемое большинством индивидуальных потребителей).

В России и странах ЕС (Европейского сообщества) используется переменное напряжение с частотой 50 Гц. Такой эталон частоты выбран с учетом инерционности человеческого зрения, позволяющего различать сигналы длительностью не менее 0,05 с. Частота 50 Гц достаточна для того, чтобы человеческий глаз не замечал изменения интенсивности излучения ламп накаливания.

Электромагнетизм

1. Для чего в линиях электропередачи используют повышающие трансформаторы?
2. Чем ограничено повышение напряжения в линиях электропередачи?
3. Зачем при передаче электроэнергии на расстояние используют понижающие трансформаторы?
4. Почему в качестве частоты переменного напряжения используется частота 50 Гц?

Представление гармонического колебания на векторной диаграмме.

Переменное напряжение, получаемое потребителем от электростанции через ЛЭП, изменяется с течением времени по гармоническому закону.

Мгновенное значение напряжения — напряжение в данный момент времени t можно представить в виде:

и = U_mcos (cot + ф₀), (91)

где U_т — амплитуда (максимальное значение) напряжения, со — круговая частота колебаний, равная угловой скорости вращения ротора генератора электростанции.

Аргумент косинуса ф = Ш + tp₀ определяет фазу колебаний в момент времени t.

Фаза колебаний — аргумент функции, описывающей гармонические колебания.

и = U_mcos(mt +
130

то синусоидальное колебание можно представить в виде вектора длиной 1_т, направленного противоположно оси У. Этот вектор имеет начальную фазу (-л/2) (рис. 121,6).

Рассмотрим теперь вращение вокруг начала координат вектора с модулем U_m, имеющего начальную фазу ф₀ (рис. 122, а). При угловой скорости вращения со его проекция на ось X изменяется по закону U_mcos (со* + ф₀).

Косинусоидальное колебание U_mcos (со* + ф₀) представляется в виде вектора длиной U_m, составляющего с осью X угол ф₀ (рис. 122, б). Синусоидальное колебание можно выразить как косинусоидальное:
а)

Векторная диаграмма

я) косинусоидальных

б) синусоидальных

можность такого представления гармонического колебания следует из взаимосвязи гармонического колебательного движения с вращением по окружности (см. Ф-10, § 18).

Рассмотрим подробнее эту взаимосвязь, чтобы обосновать метод векторных диаграмм. Предположим, что вектор с модулем 1_т в начальный момент (* = 0) направлен по оси X. Если определить начальную фазу ф₀ как угол, образуемый вектором с осью X в начальный момент времени, то ф₀ = 0. Пусть этот вектор вращается в плоскости XY с угловой скоростью со против часовой стрелки (рис. 121, а). Через время * вектор поворачивается на угол cot.

Проекция вектора 1_т на ось X изменяется по косинусоидальному закону I_mcos со*. Поэтому косинусоидальное колебание удобно представить в виде вектора длиной 1_т, направленного по оси X, т. е. имеющего начальную фазу, равную нулю. Любое синусоидальное колебание можно рассматривать как косинусоидальное с определенной начальной фазой. Так как

н поэтому представить вектором длиной U_m, составляющим с осью X угол р₀ — 7с/2. Этот угол играет роль начальной фазы для этого вектора. При наличии двух гармонических колебаний

и_х = U_mlcos ((at + ф_х)

«2 = U m2 COS № + Фа)

их разностью фаз Д(р = U m 2 cos ((at — j ].

Тот же результат легко получается с помощью векторной диаграммы (рис. 124). Косинусои-Дальному колебанию соответствует вектор с модулем U_m, направленный по оси X, так как ф₀ = 0.

Второе колебание можно тоже записать через косинус с начальной фазой (-л/2):

«2 = «COS ((at — | У

•этому колебанию соответствует вектор с моду- ем ш’ направленный противоположно оси У, т ак как ф₀ = _л/2.

0 U_mcos(a>t + _%) Х а)

у | U_mcos(a>t + %)

и A U_msin((ot + %) б)

Колебания с начальной фазой на векторной диаграмме:

а) косинусоидальные;

б) синусоидальные

Разность фаз двух гармонических колебаний

)

Сложение векторов дает вектор с модулем U_mj2 и начальной фазой (-л/4). Такое колебание описывается зависимостью (97).

жжение колебаний на ;торной диаграмме

Дайте определение мгновенного значения напряжения, фазы колебаний и начальной фазы колебаний.

Как гармоническое колебание представляют на векторной диаграмме?

Как изображаются на векторной диаграмме косинусо-идальное и синусоидальное колебания?

Как изображаются на векторной диаграмме два синхронных колебания?

Как происходит сложение колебаний на векторной диаграмме?

Напряжение меняется с течением времени по закону и = 10cos (2п/Т) (t + Г/6) В.
Найдите амплитуду, круговую частоту, начальную фазу и мгновенное значение на
пряжения в момент времени t = Т/4. [10В; 2к/Т; я/3; -8,5 В]
Изобразите на векторной диаграмме гармоническое колебание силы тока
i = 4cos(10 еменного тока используется резистор с сопротивлением R (рис. 125, а), пряжение, созданное генератором на концах резистора, изменяется по :ону

и = U_mcos (ot. (97)

В соответствии с законом Ома сила тока в резисторе будет

m ~ U_m/R — амплитуда силы тока.

б > и \ 1 Г=2я/ш 1

J) Ун

Резистор в цепи переменного тока:

а) схема включения; б) изменение со временем напряжения и силы тока;

в) векторная диаграмма

Напряжение и сила тока в резисторе синхронно меняются с течением времени по косинусоидальному закону (рис. 125, б).

Напряжение и сила тока в резисторе совпадают по фазе в любой момент времени. На векторной диаграмме (рис. 125, в) векторы U_m и 1_т, имеющие нулевую начальную фазу, направлены по оси X.

Действующее значение силы переменного тока. При включении в цепь переменного тока амперметра, рассчитанного на измерение постоянного тока, его стрелка будет колебаться с частотой 50 Гц. Поэтому определить величину тока, меняющегося в пределах от -1_т до +1_т, будет практически невозможно. Напомним, что сила тока 1 А была введена как сила постоянного тока (см. § 25). Возникает вопрос: какой переменный ток эквивалентен по действию постоянному току 1 А?

Среди известных действий электрического тока — химического, магнитного и теплового, только тепловое действие не зависит от изменения направления тока. Тепловая мощность, выделяемая в резисторе, пропорциональна квадрату силы тока (см. (44)): Р = PR.

Сила переменного тока 1 А — сила тока, выделяющего в проводнике такое же количество теплоты, что и постоянный ток 1 А за тот же промежуток времени.

Амперметр переменного тока измеряет действующее значение силы тока.

Действующее значение силы переменного тока равно силе постоянного тока, при котором в проводнике выделяется такое же количество теплоты, что и при переменном токе за тот же промежуток времени.

Если переменный ток изменяется по гармоническому закону, в качестве промежутка времени выбирается период изменения тока. Чтобы найти действующее значение силы тока, протекающего через резистор, воспользуемся выражением для мгновенной мощности тока, выделяемой в резисторе:

P. = i 2 R= /2Rcos 2 cot.

Учитывая, что cos 2 Ш — — (1 + cos 2(ot), получаем:

Графиком зависимости мгновенной мощности тока от времени является косинусоида с амплитудой J 2 R/2, периодом Г/2 = я/со. Косинусоида сдвинута вверх по вертикальной оси на IR/2 (рис. 126).

Равенство количества теплоты, выделяемого за период переменным и постоянным током, означает равенство средних тепловых мощностей этих токов. Из рисунка 126 видно, что средняя мощность Р_, выделяемая за период переменным гармоническим током, равна

Такая же мощность Р₌ выделяется в резисторе при протекании постоянного тока 1_Д:

Действующее значение силы переменного тока получается, если приравнять эти мощности:

0,5/
Электромагнетизм

Действующее (эффективное) значение силы, переменного гармонического тока в J2 раз меньше его амплитуды. Аналогично определяется действующее (эффективное) значение переменного гармонического напряжения:

и * Л’

В цепях переменного тока резистор часто называют активным сопротивлением.

Активное сопротивление — сопротивление элемента электрической цепи, в котором электрическая энергия необратимо преобразуется во внутреннюю.

Активным сопротивлением обладают электролампы, электродвигатели, трансформаторы и т. д.

1. Как связаны между собой напряжение и сила тока в резисторе?
2. Что означает выражение: «Сила переменного тока в 1 А»? Почему сравнивают именно тепловое действие переменного и постоянного тока?
3. Дайте определение действующего значения переменного тока.
4. Как связано действующее значение силы тока (или напряжения) с его амплитудным значением?
5. Какое сопротивление в цепи переменного тока называют активным?

почему основным элементом генератора является рамка, вращающаяся в магнитном поле?

Потому что рамка это конвертер магнитной энергии в электрическую,
в катушке на рамке при прохождении через силовые линии магнитного
поля наводится ЭДС которая при подключенной нагрузке переходит в ток

Потому что ток генерируется именно в проводнике в переменном магнитном поле

Похожие вопросы

Ваш браузер устарел

Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.