Индукционен алтернатор
Индукционен алтернатор. В индукционните алтернатори механичната енергия се преобразува в електрическа. Индукционният генератор се състои от две части: подвижна част, наречена ротор, и неподвижна част, наречена статор. Работата на генератора се основава на явлението електромагнитна индукция. Индукционните генератори имат сравнително просто устройство и позволяват да се получат големи токове при достатъчно високо напрежение. В момента има много видове индукционни генератори, но всички те се състоят от едни и същи основни части. Това е, първо, електромагнит или постоянен магнит, който създава магнитно поле, и, второ, намотка, състояща се от последователно свързани навивки, в които се индуцира променлива електродвижеща сила. Тъй като електродвижещите сили, индуцирани в последователно свързани навивки, се сумират, амплитудата на електродвижещата сила на индукция в намотката е пропорционална на броя на навивките в нея.
Броят на линиите на полето, преминаващи през всяка намотка, се променя непрекъснато от максимална стойност, когато тя е разположена напречно на полето, до нула, когато линиите на полето се плъзгат по намотката. В резултат на това, когато намотката се върти между полюсите на магнита, посоката на тока се променя на противоположната на всеки половин оборот и в намотката се появява променлив ток. Токът се отклонява към външната верига с помощта на плъзгащи се контакти. За тази цел контактните пръстени, прикрепени към краищата на намотката, са фиксирани върху оста на намотката. Фиксираните плочи - четки - се притискат към пръстените и свързват намотката с външната верига (фиг. 6.9).
Нека намотка от тел се върти в еднородно магнитно поле с постоянна ъглова скорост. Магнитният поток, преминаващ през намотката, се променя според закона, тукSе площта на намотката. СпоредЗаконът на Фарадей в намотката индуцира електродвижеща сила на индукция, която се определя, както следва:
,
къдетоNе броят на намотките в намотката. По този начин електродвижещата сила на индукция в намотката се променя по синусоидален закон и е пропорционална на броя на завъртанията в намотката и честотата на въртене.
При експеримента с въртяща се намотка статорът е магнит и контакти, между които е поставена намотката. В големите индустриални генератори електромагнитът, който е ротор, се върти, докато намотките, в които се индуцира електродвижещата сила, се поставят в процепите на статора и остават неподвижни. В топлоелектрическите централи за въртене на ротора се използват парни турбини. Турбините от своя страна се задвижват от струи водна пара, получена в огромни парни котли чрез изгаряне на въглища или газ (топлоелектрически централи) или разлагаща се материя (атомни електроцентрали). Водноелектрическите централи използват водни турбини за въртене на ротора, които се завъртат от вода, падаща от голяма височина.
Електрическите генератори играят жизненоважна роля в развитието на нашата технологична цивилизация, тъй като ни позволяват да получаваме енергия на едно място и да я използваме на друго. Парна машина, например, може да преобразува енергията от изгарянето на въглища в полезна работа, но тази енергия може да се използва само там, където са монтирани въглищна пещ и парен котел. Електроцентралата, от друга страна, може да бъде разположена много далеч от потребителите на електроенергия - и въпреки това да захранва фабрики, къщи и т.н.
Говори се (най-вероятно просто красива приказка), че Фарадей демонстрира прототип на електрически генератор на Джон Пийл, министър на финансите на Великобритания, и той попита учения: „Е, г-н Фарадей, всичко това е много интересно, но какво от всичко товасмисъл?"
"Какъв е смисълът? Фарадей беше уж изненадан. „Знаете ли, сър, колко данъци това нещо в крайна сметка ще донесе на хазната?!”
Трансформатор.
Трансформатор. Електродвижещата сила на мощните генератори на електроцентрали е голяма, докато практическото използване на електроенергия най-често изисква не много високи напрежения, а предаването на енергия, напротив, много високо.
За да се намалят топлинните загуби на проводниците, е необходимо да се намали токът в преносната линия и следователно да се увеличи напрежението, за да се спести енергия. Генерираното от генераторите напрежение (обикновено около 20 kV) се повишава до 75 kV, 500 kV и дори 1,15 MV, в зависимост от дължината на преносната линия. Увеличаването на напрежението от 20 до 500 kV, тоест 25 пъти, намалява загубите в линията с 625 пъти.
Преобразуването на променлив ток с определена честота, при което напрежението се увеличава или намалява няколко пъти без почти никаква загуба на мощност, се извършва от електромагнитно устройство, което няма движещи се части - електрически трансформатор. Трансформаторът е важен елемент от много електрически уреди и механизми. Зарядни устройства и железници играчки, радио и телевизори - навсякъде има трансформатори, които намаляват или повишават напрежението. Сред тях има както много малки, не повече от грахово зърно, така и истински колоси, тежащи стотици тонове или повече.
Трансформаторът се състои от магнитна верига, която представлява набор от пластини, които обикновено са направени от феромагнитен материал (фиг. 6.10). На магнитната верига има две намотки - първична и вторична. Тази от намотките, която е свързана към източник на променливо напрежение, се нарича първична, а тази, към коятосвържете "натоварването", тоест устройства, които консумират електроенергия, се наричат вторични. Феромагнитът увеличава броя на линиите на магнитното поле около 10 000 пъти и локализира потока на магнитната индукция в себе си, при което намотките на трансформатора могат да бъдат пространствено разделени и въпреки това да останат индуктивно свързани.
Действието на трансформатора се основава на явленията на взаимна индукция и самоиндукция. Индукцията между първичната и вторичната намотка е взаимна, т.е. токът, протичащ във вторичната намотка, предизвиква електродвижеща сила в първичната, точно както първичната намотка индуцира електродвижеща сила във вторичната. Освен това, тъй като завоите на първичната намотка покриват собствените си силови линии, в тях възниква електродвижеща сила на самоиндукция. Електродвижещата сила на самоиндукция се наблюдава и във вторичната намотка.
Нека първичната намотка е свързана към източник на променлив ток с електродвижеща сила, следователно в нея възниква променлив ток, създаващ променлив магнитен поток?в магнитната верига на трансформатора, който е концентриран вътре в магнитната сърцевина и прониква във всички навивки на първичната и вторичната намотка.
При липса на външен товар, мощността, освободена в трансформатора, е близка до нула, т.е. силата на тока е близка до нула. Приложете закона на Ом към първичната верига: сумата от електродвижещата сила на индукция и напрежението във веригата е равна на произведението от силата на тока и съпротивлението. Ако приемем , можем да запишем: , следователно, , къдетоФе потокът, проникващ през всеки оборот на първичната намотка. В един идеален трансформатор всички силови линии преминават през всички навивки на двете намотки и тъй като променящото се магнитно поле генерира една и съща електродвижеща сила във всяко навиване, общиятелектродвижещата сила, индуцирана в намотката, е пропорционална на общия брой на нейните навивки. Следователно, .
Коефициентът на трансформация на напрежението е равен на отношението на напрежението във вторичната верига към напрежението в първичната верига. За амплитудните стойности на напреженията върху намотките можем да напишем:
.
По този начин коефициентът на трансформация се определя като съотношението на броя на завъртанията на вторичната намотка към броя на завъртанията на първичната намотка. Ако коефициентът, трансформаторът ще бъде повишаващ, а ако - понижаващ.
Съотношенията, написани по-горе, строго погледнато, са приложими само за идеален трансформатор, в който няма изтичане на магнитния поток и няма загуби на енергия за джаулова топлина. Тези загуби могат да бъдат свързани с наличието на активно съпротивление на самите намотки и появата на индукционни токове (токове на Фуко) в сърцевината.
Токове на Фуко.
Токове на Фуко. Индукционни токове могат да възникнат и в плътни твърди проводници. В този случай се образува затворена индукционна токова верига в дебелината на самия проводник, когато се движи в магнитно поле или под въздействието на променливо магнитно поле. Тези токове са кръстени на френския физик J.B.L. Фуко, който през 1855 г. открива нагряването на феромагнитни сърцевини на електрически машини и други метални тела в променливо магнитно поле и обяснява този ефект с възбуждане на индукционни токове. Тези токове в момента се наричат вихрови токове или токове на Фуко.
Ако желязното ядро е в променливо магнитно поле, тогава под действието на индуктивно електрическо поле в него се индуцират вътрешни вихрови токове - токове на Фуко, което води до неговото нагряване. Тъй като електродвижещата сила на индукцията винаги е пропорционална на честотата на трептенията на магнитното поле и съпротивлението на масивните проводници е малко, тогавапри висока честота в проводниците ще се отдели голямо количество топлина, съгласно закона на Джаул-Ленц.
В много случаи токовете на Фуко са нежелателни, така че трябва да се вземат специални мерки за тяхното намаляване. По-специално, тези токове причиняват нагряване на феромагнитните сърцевини на трансформатори и метални части на електрически машини. За да се намалят загубите на електрическа енергия поради появата на вихрови токове, сърцевините на трансформаторите са направени не от твърдо парче феромагнит, а от отделни метални пластини, изолирани една от друга с диелектричен слой.
Вихровите токове се използват широко за топене на метали в така наречените индукционни пещи (фиг. 6.11), за нагряване и топене на метални заготовки и за получаване на високочисти сплави и метални съединения. За да направите това, метален детайл се поставя в индукционна пещ (соленоид, през който преминава променлив ток). След това, съгласно закона за електромагнитната индукция, вътре в метала възникват индукционни токове, които нагряват метала и могат да го стопят. Чрез създаване на вакуум в пещта и прилагане на левитационно нагряване (в този случай силите на електромагнитното поле не само загряват метала, но и го държат окачен извън контакт с повърхността на камерата), се получават изключително чисти метали и сплави.