2. Принцип дії електричних машин.

Принцип дії електричної машини заснований на фізичних законах електромагнітної індукції та електромагнітних сил. Відповідно до зазначених законів, а також законів Ома, Джоуля-Ленца і магнітного кола можна одержати основні співвідношення між величинами, що характеризують робочий процес машини. Звернемося для цього до рис.3.

Тут показані два полюси електромагніта, що створює магнітне поле. В магнітному полі між полюсами поміщений провідник, перетин якого зображений кружком. Якщо цей провідник пересувати, наприклад, зліва направо, то в ньому відповідно до закону електромагнітної індукції виникне ЕРС

,          (8-1)

де В — індукція в місці, де перебуває провідник;

I — активна довжина провідника, тобто та його частина, що перебуває в магнітному полі;

v -швидкість руху провідника відносно поля.

Рис. 3. До пояснення принципу дії електричних машин

Напрямок наведеної ЕРС визначається за правилом правої руки, причому варто мати на увазі, що це правило дається для визначення напрямку ЕРС у провіднику, що переміщується відносно магнітного поля (мал.4).

Рис. 4. Правило правої руки.

 

Якщо кінці провідника замкнуті на зовнішній опір, то по ньому пройде струм, що має такий же напрямок, як і ЕРС. Цей напрямок (від нас) позначено хрестиком на рис.3.

В результаті взаємодії струму i у провіднику та поля виникне електромагнітна сила

(8-2)

напрямок якої визначається за правилом лівої руки (мал.5)

Рис.5. Правило лівої руки.

При рівномірному русі провідника до нього повинна бути ззовні прикладена механічна сила F, рівна F_ЭМ, тобто

F = F_ЭМ.          (8-3)

Якщо помножити обидві частини рівності сил на швидкість v, то одержимо рівність потужностей

Fv = F_ЭМ v.          (8-4)

Підставляючи в праву частину цієї рівності F_ЭМ з (8.2) і v з (8.1), одержимо:

Fv = ei.          (8-5)

Звідси бачимо, що механічна потужність Fv в нашому елементарному генераторі перетворюється в електричну потужність ei. Потужність, що віддається в зовнішнє коло таким генератором, можна знайти з рівняння напруг

u = e – ir,          (8-6)

де u — напруга на затискачах зовнішнього опору;

ir — падіння напруги в провіднику, що має опір r.

Помноживши це рівняння на i, одержимо:

ui = ei – i²r,          (1-7)

де ui — електрична потужність, що віддається провідником у зовнішнє коло (вона є частиною повної електричної потужності ei, отриманої в результаті перетворення механічної потужності);

i²r — електричні втрати в провіднику.

Та ж елементарна машина може працювати двигуном, тобто перетворювати електричну енергію в механічну. Підведемо до провідника напругу u так, щоб струм i в провіднику мав зазначений на рис. 3 напрямок. При цьому виникне електромагнітна сила, що відповідно до правила лівої руки змусить провідник пересуватися вліво. В провіднику з'явиться ЕРС е, спрямована проти струму i і проти напруги u, в чому можна переконатися за допомогою правила правої руки.

Отже, напруга u повинна зрівноважити ЕРС е і падіння напруги в провіднику ir, тобто

u = e + ir.          (8.8)

Від рівняння напруг (8.8), помноживши його на i, перейдемо до рівняння потужностей

ui = ei + i²r.          (8.9)

В цьому рівнянні i²r — електричні втрати в провіднику, ei — та частина підведеної електричної потужності ui, що перетворюється в механічну потужність F_ЭМ v, тому що, враховуючи (8.1) і (8.2), ми можемо написати:

ei = Blvi = F_ЭМ v.       (8.10)

Наведені співвідношення показують, що електрична машина оборотна, тобто може працювати і генератором і двигуном.

Принцип оборотності електричних машин був встановлений російським академіком Э. X. Ленцем в 1833 р. Він застосовний до будь-якої електричної машини.

Таким чином, ми бачимо, що наявність магнітного поля і провідників, по яких проходить струм, є необхідною умовою для роботи будь-якої електричної машини. Для посилення магнітного поля застосовуються феромагнітні матеріали у вигляді сталей.

При роботі електричної машини відбувається відносне переміщення провідників і магнітного поля. Таке переміщення в звичайних машинах здійснюється шляхом обертового руху.