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

ЭДС рамки, вращающейся в поле

Генератор переменного тока.

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:

ε_i1 = ε_i3 = υBb

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:

ε_i = 2 ε_i1 = ωBΔS

где ΔS = ab

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.