Генераторы переменного тока

Мы уже выяснили, что для получения переменного тока достаточно поместить проволочную рамку (а лучше – катушку) в магнитное поле и обеспечить ее вращение с постоянной угловой скоростью в этом поле так, чтобы при вращении изменялся магнитный поток, пронизывающий рамку.

Рис. 18.1

В принципе можно воспользоваться магнитным полем Земли. Вращая катушку с достаточно большой скоростью, можно безо всяких дополнительных устройств получить ток. Такой прибор существует и называется земным индуктором (рис. 18.1). Но магнитное поле Земли довольно слабое, порядка 10^–5 Тл, значит, и ток, полученный с помощью земного индуктора, будет слабым.

Поэтому магнитное поле лучше создать с помощью магнитов. Можно использовать и постоянные магниты (рис. 18.2), но гораздо лучше – электромагниты – они самые сильные и не размагничиваются со временем (рис. 18.3).

Рис. 18.2 Рис. 18.3

На рис. 18.3 катушка, намотанная на железный сердечник, вращается в поле электромагнита. Магнитный поток через катушку: а – велик, б – мал. При вращении катушки магнитный поток изменяется, и в ней индуцируется переменный ток.

Рис. 18.4

Заметим, что поскольку для возникновения ЭДС индукции важен лишь сам факт изменения магнитного потока через контур, то можно вращать не контур (рамку) в поле электромагнита, а наоборот, электромагнит около неподвижного контура (рис. 18.4). Именно такая схема предпочтительна для мощных электрогенераторов, потому что снимать ток с вращающихся обмоток очень неудобно: при больших напряжениях между трущимися частями происходит искровой разряд и так называемая «контактные щетки» быстро выходят из строя.

Электромагнит (или магнит), создающий магнитное поле, называется индуктором, рамка (катушка), в которой наводится ЭДС – якорем. Неподвижная часть генератора называется статором, а вращающаяся – ротором. Так, на рис. 18.2 и 18.3 индуктор является статором, а якорь – ротором, а на рис. 18.4, наоборот, индуктор является ротором, а якорь – статором.

СТОП! Решите самостоятельно: А1, В1, В2.

Задача 18.1. Рамка площадью 150 см², содержащая 50 витков проволоки, равномерно вращается со скоростью 120 об/мин в однородном магнитном поле с магнитной индукцией 0,80 Тл. Найти амплитуду ЭДС индукции в рамке.

S = 150 см2 N = 50 n = 120 об/мин = = 2,0 об/с В = 0,80 Тл	Решение. Магнитный поток через рамку, как известно, в данном случае изменяется по гармоническому закону. Поскольку начальные условия в данной задаче не имеют значения, будем считать, что Ф(t) = Ф0sinwt, где , а Ф0 – максимальное значение потока через рамку: Ф0 = BSN.
ℰ0 = ?

Согласно закону Фарадея

ℰ_i = –Ф¢(t) = –(Ф₀sinwt)_t¢= –BSN×coswt×w = –BSNwcoswt.

Из полученной формулы очевидно, что амплитудное значение ЭДС ℰ = BSNw. Подставим численные значения:

ℰ₀ = BSNw = 0,80 Тл×150×10^–4 м² × 50× 7,5 В.

Ответ: ℰ₀ = BSNw » 7,5 В.

СТОП! Решите самостоятельно: В3, В4.