Если потоки, пронизывающие витки, одинаковы, то

, (15.3)

поэтому э.д.с., индуцируемая в сложном контуре, определяется формулой

(15.4)

При изменении потокосцепления замкнутого проводящего контура, электрическое сопротивление которого равно R, в нем возникает индукционный ток

(15.5)

Заряд, проходящий за время dt через поперечное сечение цепи, равен

Если за время t потокосцепление изменяется от до, то переносимый за это время заряд равен

15.2. Генераторы и электродвигатели

Устройства, предназначенные для превращения механической энергии в электрическую, называются генераторами.

Устройства, используемые для превращения электрической энергии в механическую, называются электродвигателями (или электромоторами).

Существует много типов генераторов и двигателей. Их конструкция доведена до высокой степени совершенства, что потребовало решения ряда важных вспомогательных технических задач. Не касаясь деталей конструкции (это относится к специальному курсу электротехники), ограничимся лишь принципами их устройства.

Работа всех современных мощных генераторов электрического тока основана на явлении электромагнитной индукции при движении проводников в магнитном поле.

15.2.1. Генератор переменного тока

Электродвижущая сила возникает вследствие вращения проволочной обмотки в однородном магнитном поле (рис. 15.3.). Концы обмотки подведены к двум изолированным (обычно медным) контактным кольцам, укрепленным на оси машины. При помощи прижимных проводников в виде скользящих контактов (щеток) обмотка включается в замкнутую цепь тока.

Рис. 15.3

Если  - угол, образуемый нормалью к плоскости витка обмотки и вектором индукции поля, то поток сквозь виток равен

где S - площадь витка,

Ф_m = В  S - максимальное значение потока при  = 0.

При равномерном вращении витка с угловой скоростью , угол  будет меняться со временем:

 =₀ +t,

поэтому э.д.с. индукции одного витка будет меняться по гармоническому закону:

или

,

где - амплитуда э.д.с.

Если обмотка содержит N витков проволоки, то амплитуда э.д.с. будет в N раз больше. Для повышения э.д.с. необходимо увеличивать полный магнитный поток. Для этого магнитную систему генераторов делают из двух железных сердечников: наружного кольцеобразного неподвижного (статора) и внутреннего цилиндрического вращающегося (ротора), а воздушный зазор между ними доводят до минимальных размеров. Как правило, генератор имеет две обмотки, одна из которых располагается в пазах статора и используется для создания магнитного потока, а другая (в пазах ротора) является рабочей обмоткой, в которой индуцируется переменная э.д.с.

15.2.2. Генератор постоянного тока и электродвигатель

В генераторах постоянного тока переменная э.д.с., возникающая во вращающейся обмотке, выпрямляется при помощи специального приспособления, называемого коллектором (вращающийся переключатель). Через каждые полоборота рамки коллектор переключает (коммутирует) концы обмотки, поэтому такой простейший генератор дает пульсирующий ток (рис. 15.4, а). Для сглаживания этих пульсаций (рис. 15.4, б) обмотку разделяют на много секций и применяют коллекторы из многих пластин. Вращающаяся часть генератора постоянного тока называется якорем. Обмотки помещают в пазах якоря у его поверхности. Схема якоря барабанного типа изображена на рис. 15.4, в.

Рис. 15.4.

Процесс превращения механической энергии в электрическую можно обратить. Если через рамку, помещенную в магнитное поле, пропустить электрический ток, то, в соответствии с формулой (14.12), на нее будет действовать крутящий момент и рамка начнет вращаться. В этом случае мы получим электродвигатель (рис. 15.5). При вращении якоря двигателя его обмотки пересекают силовые линии магнитного поля, и поэтому возникает э.д.с. индукции, уменьшающая ток якоря:

,

где U – напряжение на якоре,

R_я – сопротивление обмоток якоря.

Рис. 15.5

При холостом ходе (без нагрузки) скорость вращения якоря велика, э.д.с. лишь немного меньше U, и поэтому ток холостого хода мал. При увеличении нагрузки скорость якоря уменьшается, падает, и ток, потребляемый двигателем, увеличивается, причем тем сильнее, чем больше нагрузка.