Плененное электричество

Если паровые котлы и механические двигатели к ним сначала были придуманы инженерами и изобретателями, а физики после этого помогли их значительно усовершенствовать, то в области электрических машин все обстояло наоборот.

Здесь открытия ученых — ив первую очередь Фарадея — послужили толчком для изобретательской фантазии инженеров, которые теперь с полным правом могли называть себя электриками и энергетиками…

В технике основными устройствами, использующими явление электромагнитной индукции, являются генераторы электрического тока,электродвигатели итрансформаторы.

Генератор состоит из статора и ротора. Массивный неподвижный статор представляет собой полый стальной цилиндр, на внутренней стенке которого уложено большое число витков металлического провода, ведущего во внешнюю электрическую цепь — к потребителю электроэнергии. Ротор — цилиндр с пазами, большой подвижный электромагнит, установленный внутри статора.

Под действием пара, газа или падающей воды (на гидростанциях) ротор начинает быстро вращаться — ив проводах статора благодаря электромагнитной индукции возникает электрический ток.

В электродвигателях происходит другое превращение: переменный электрический ток, протекая через провода статора, заставляет ротор вращаться. С помощью механических приспособлений движение ротора можно передать ленте траспортера, эскалатору метро, зубчатым и ременным передачам любого станка на современном заводе.

Машинный зал современной электростанции. Электрогенераторы превращают механическое вращение турбин в электрический ток.

Огромные генераторы и электродвигатели выпускаются сейчас промышленностью многих стран мира. На советских теплоэлектростанциях монтируются генераторы мощностью до 1 миллиона киловатт! Такие генераторы, как правило, вырабатывают низкое электрическое напряжение, которое обязательно повышают, прежде чем передать электроэнергию от расположенных вдалеке электростанций к городам, где ее нетерпеливо ждут промышленные предприятия и жилые дома.

Здесь уже незаменимыми оказываются такие электрические устройства, кактрансформаторы, состоящие из сердечника и двух катушек, в которых разное число витков. Если к катушке с большим числом витков подвести переменный электрический ток большого напряжения, то со стороны катушки с малым числом витков можно «снять» больший ток, но значительно меньшее напряжение. Ведь в электрической сети жилой квартиры лучше иметь напряжение, безопасное для жизни… и спиралей электрических лампочек. Тоненькие вольфрамовые спирали легко перегорают при повышенном напряжении. А свет лампочки, как справедливо заметил Владимир Маяковский, для нас столь же важен, как «хороший стих и букварь».

Современники Фарадея — английский физик Джоуль и русский ученый Ленц практически одновременно и независимо друг от друга вывели закон, определяющий тепловое действие электрического тока. Количество теплоты, выделяемой проводником с током, гласит закон Джоуля — Ленца, равно произведению квадрата силы тока, времени его протекания и сопротивления проводника. Но ведь переход в тепло означает, что электричество постепенно теряется и при очень длинных проводах может вообще не дойти до места назначения? Конечно, вероятность такого печального исхода тем выше, чем больше сила электрического тока, чем тоньше и протяженнее провода.

Здесь, как мы знаем, выручает трансформатор: повышая напряжение, он уменьшает силу тока, отправляемого в дальний путь…

Скульптор, создавший статую Фарадея, установленную в Королевском институте в Лондоне, изобразил его держащим в руке историческую катушку с навитыми проводами. Маленькая, но очень важная деталь — с этой катушки началась, как мы видим, вся современная электротехника.

Трансформаторы, электродвигатели и генераторы

Одной из наиболее важных и эффективных электрических машин является трансформатор, который широко используется в электроэнергетике. На электростанциях и подстанциях он служит для повышения напряжения, что обеспечивает его дальнейшую передачу по высоковольтным линиям, а также для последующего понижения напряжения до уровней, принятых в промышленности и в быту. Трансформаторы используются также во многих электрических устройствах – радиоприемниках, телевизорах, комплектах батарей, – т. е. везде, где требуются переменные напряжения, отличные от напряжения в основной сети.

Электродвигатели и генераторы

Трансформатор состоит из двух катушек, связанных посредством слоистого железного сердечника. В трансформаторе нет движущихся частей, и его кпд составляет почти 99%. Электродвигатели (электромоторы) и генераторы содержат вращающиеся части и поэтому не обладают таким высоким к. п. д. Электродвигатели и генераторы имеют в основном одинаковое устройство, хотя их функции различны. Двигатели питаются электроэнергией и преобразуют ее в механическую работу; генераторы, наоборот, превращают механическую энергию в электрическую. Однако они столь похожи, что одни и те же машины могут действовать и как двигатели, и как генераторы в зависимости от того, подводится к ним электрическая или механическая энергия. В каждой такой машине есть устройство, создающее магнитное поле, и якорь. Магнитное поле создается либо постоянными магнитами, либо электромагнитами. Первые – более дешевы, вторые используются чаще, поскольку интенсивность магнитного поля, создаваемого электрическим путем, регулировать легче.

Как действует якорь

Якорь представляет собой обмотку, но по своему – устройству она отлична от обмотки, используемой для создания поля. Якорь состоит из проводника (или проводников), расположенных так, что они пересекают линии магнитного потока под прямым углом. Эти проводники наматываются на цилиндр, вращающийся в магнитном поле, либо укрепляются на внутренних стенках цилиндра, внутри которого вращается обмотка, создающая поле. Неподвижная часть электродвигателя называется статором, а вращающаяся – ротором. И устройство, создающее поле, и якорь могут служить как статором, так и ротором. Согласно одному из основных законов электромагнетизма в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется напряжение. Наоборот, проводник с током, помещенный в магнитное поле, испытывает на себе действие силы, которая стремится сдвинуть его. Чтобы извлечь большую пользу из этого закона, электрические и магнитные элементы электрических машин (поле и якорь) стараются заставить взаимодействовать наиболее эффективно. Якорь обычно содержит железный сердечник, что позволяет максимально сконцентрировать магнитные силовые линии. Обмотку, создающую магнитное поле, для получения максимальной концентрации силовых линий при заданном токе также наматывают на железные сердечники. Вместо цельных сердечников в том и в другом случае иногда используются многослойные железные элементы (сделанные из пластинок). Это позволяет избежать тепловых потерь, обусловленных вихревыми токами, возникающими в железе при изменении магнитного потока. Если якорь служит ротором в электродвигателе, то его необходимо питать током (через вращающиеся контакты). В генераторе же нужно обеспечить отвод тока от якоря-ротора. То же относится и к устройствам, создающим магнитное поле, если они используют электрический ток. Вращающиеся контакты могут представлять собой либо ряд контактных колец, либо коммутатор. Кольца вращаются под фиксированными контактами-щетками, которые сделаны из угля и удерживаются пружинами. Время от времени, когда уголь стирается, щетки заменяют.

Изменение поля

Якорь и обмотки в электродвигателе питаются током. Поэтому, используя сопротивления в цепи, создающей поле, можно регулировать напряженность поля. При ослаблении поля двигатель вращается быстрее (при условии, что ток через якорь остается постоянным), но с меньшим вращающим моментом, и наоборот. В генераторе, ротор которого вращается с постоянной скоростью, увеличение поля в статоре повышает выходное напряжение, а ослабление понижает его. Описанные двигатели и генераторы обычно используются в сетях как переменного, так и постоянного тока. Однако асинхронные моторы могут применяться только в цепях переменного тока. Якорь в них служит ротором и имеет ряд обмоток или делается в форме «беличьего колеса». Магнитный поток статора меняется и индуцирует напряжение в роторе. Там возникает ток, взаимодействующий с полем статора, что создает вращательный момент. Контактных колец при этом не требуется. Простейшее устройство для создания поля состоит из двух катушек. Это позволяет менять направление магнитного поля, чего нельзя сделать в машинах, работающих на постоянном токе. Ротор подвергается воздействию пульсирующего по величине и переменного по направлению поля, без первоначального «толчка» якорь вращаться не будет. Получив такой «толчок» в каком-то направлении, он начинает следовать за изменениями поля. В некоторых асинхронных моторах, роторы которых имеют обмотки, могут применяться контактные кольца. В данном случае они предназначены не для питания якоря током, а для изменения его характеристик с помощью внешних сопротивлений.