Электрические лампы в наших квартирах и на улице, холодильник и пылесос, телек и магнитофон работают, используя энергию электромагнитных колебаний.
На применении электромагнитных колебаний базирована работа электромоторов, приводящих в действие станки на заводах и фабриках, движущих электровозы.
Во всех этих примерах идет речь об использовании переменного электрического тока. Переменный электрический ток в энергетических электрических цепях является результатом возбуждения в них принужденных электромагнитных колебаний. Эти обязанные колебания создаются генераторами переменного тока, работающими на электрических станциях.
Виток в однородном магнитном поле.
Для выяснения принципа деяния генератора переменного тока разглядим поначалу, что происходит при вращении витка провода в однородном магнитном поле.
Пусть тонкий виток имеет площадь и вектор В индукции составляет с перпендикуляром и к плоскости витка угол (рис. 233).
Магнитный поток Ф через площадь витка в данном случае определяется следующим выражением:
При вращении витка с частотой угол меняется по закону тогда выражение (68.1) воспримет вид
Конфигурации магнитного потока делают ЭДС индукции в витке, согласно закону электромагнитной индукции равную производной потока магнитной индукции, взятой со знаком минус:
Поэтому, конфигурации ЭДС индукции с течением времени будут происходить по гармоническому закону:
Если при помощи контактных колец и скользящих по ним щеток соединить концы витка с электрической цепью, то под действием этой ЭДС индукции в электрической цепи возникнут обязанные гармонические колебания силы тока — переменный ток.
Машинный генератор переменного тока.
В машинных генераторах переменного тока магнитное поле обычно создается электромагнитом, питаемым неизменным током. Допустимая сила тока ограничивается нагреванием скользящих контактов
щеток. Потому в генераторах переменного тока большой мощности электромагнит является ротором, т. е. вращающейся частью машины (рис. 234). При вращении ротора появляется переменная ЭДС индукции в обмотках, расположенных в недвижной части генератора — в статоре. Для роста ЭДС индукции применяется обмотка статора с огромным числом витков. Для роста магнитного потока эту обмотку наматывают на металлической сердечник и зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно наименьшим.
Если внутреннее сопротивление источника тока, т. е. сопротивление проводов обмотки статора, существенно меньше сопротивления наружной электрической цепи, то напряжение и на выходе генератора можно считать равным по абсолютному значению ЭДС индукции в и последовательно включенных витках обмотки:
Самый мощнейший в мире турбогенератор переменного тока сделан для Костромской на Ленинградском заводе «Электросила». Его мощность — 1,2 млн. кВт.
Термическая электрическая станция.
Более 90% применяемой населением земли энергии выходит за счет сжигания угля, нефти, газа. Более комфортной для рассредотачивания между потребителями является электрическая энергия переменного тока. Для преобразования энергии хим горючего в электроэнергию применяются термические электростанции. На термический электростанции освобождаемая при сжигании горючего энергия расходуется на нагревание воды, перевоплощение ее в пар и нагревание пара. Струя пара высокого давления направляется на лопатки ротора паровой турбины и принуждает его крутиться. Крутящийся ротор турбины приводит во вращение ротор генератора электрического тока. Генератор переменного тока производит перевоплощение механической энергии в энергию электрического тока.
Преобразование энергии переменного тока.
При использовании переменного тока преобразования энергии не завершаются перевоплощением механической энергии вращающегося ротора генератора в энергию электромагнитных колебаний переменного тока.
Переменный ток от генератора по проводам поступает к разным потребителям электроэнергии. Термин «потребитель электроэнергии» не значит, что есть приборы либо
устройства, в каких энергия исчезает. Закон сохранения и перевоплощения энергии строго осуществляется в всех физических процессах, происходящих в природе и технике. В любом потребителе энергия переменного тока не исчезает, а только преобразуется из одной формы в другую в равной количественной мере. При помощи электродвигателя переменного тока происходит преобразование энергии электромагнитных колебаний в механическую энергию, а в лампах накаливания, в спиралях электрических плит и электрических печей электрическая энергия переменного тока преобразуется во внутреннюю энергию нагреваемых тел.
Успехи и ожидания развития электроэнергетики СССР. Создание и внедрение электроэнергии в индустрии, сельском хозяйственна транспорте играют только важную роль в развитии людского общества. В. И. Ленин сделал учение об электрификации как нужной материально-технической базе построения коммунистического общества. Ленинские идеи электрификации страны получили конкретное воплощение в плане ГОЭЛРО — первом едином муниципальном многообещающем плане восстановления и развития народного хозяйства Русской Республики, разработанном под управлением В. И. Ленина в 1920 г. План был рассчитан на 10—15 лет и предугадывал коренную реконструкцию народного хозяйства на базе электрификации. Намечалось строительство 30 районных электрических станций общей мощностью 1,5 млн. кВт с годичный выработкой электроэнергии 8,8 миллиардов. кВт-ч. План ГОЭЛРО был в главном выполнен к 1931 г. В процессе подготовки плана ГОЭЛРО В. И. Ленин обусловил важные принципы электрификации народного хозяйства страны:
— обширное внедрение для производства электроэнергии местных непервоклассных видов горючего и аква энергии;
— воплощение концентрации и централизации энергоснабжения методом строительства массивных электрических станций и высоковольтных линий электропередач, объединяющих термические и гидравлические станции;
— обширное использование электроэнергии не только лишь в индустрии, но и в сельскохозяйственном производстве, на транспорте.
Ленинские идеи электрификации страны стопроцентно реализуются в наши деньки. На рисунке 235 представлена диаграммой
годичная выработка электроэнергии в стране с 1913 по 1986 г. Годичное создание электроэнергии в стране подросло по сопоставлению с 1913 г. практически в 1000 раз и поболее чем в 3000 раз по сопоставлению с 1921 г.
Единичная мощность электрических генераторов с 0,5 тыс. кВт в 1924 г. возросла до 1200 тыс. кВт, т. е. возросла в 2400 раз. Повышение единичной мощности турбогенераторов ведет к понижению издержек материалов на их сооружение и строительство построек, уменьшению числа обслуживающих работников. Все это обеспечивает понижение себестоимости производства электроэнергии.
В 1987 г. в стране выработано 1665 миллиардов. кВт-ч электроэнергии. Основными направлениями экономического и общественного развития СССР планируется довести выработку электроэнергии в стране к 1990 г. до 1840— 1880 миллиардов. кВт-ч.
При насыщенном развитии атомной энергетики и строительстве массивных гидроэлектростанций в текущее время около 70% электроэнергии вырабатывается на термических электрических станциях. Главные энерго припасы хим горючего и энергии рек размещены в восточных районах страны, а около 90% производимой в стране электроэнергии потребляется в европейской части страны. Это приводит к необходимости строительства сверхдальних линий электропередач. Длится формирование единой энергетической системы страны, в какой принципиальная роль будет принадлежать межсистемным линиям электропередачи с напряжением 500, 750 и 1150 кВ переменного тока, 1500 кВ неизменного тока.
Планируется повысить производительность труда в электроэнергетике на 21 — 23% и понизить себестоимость электроэнергии на 4—5%.
Вращение рамки в магнитном поле
Явление электромагнитной индукции применяется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели применяются генераторы, принцип деяния которых можно разглядеть на примере плоской рамки, вращающейся в однородном магнитном поле (рис. 6.1).
Представим, что рамка крутится в однородном магнитном поле (В = const) умеренно с угловой скоростью щ = const. Магнитный поток, сцепленный с рамкой площадью S, в хоть какой момент времени t равен
где б = щt — угол поворота рамки в момент времени t (начало отсчета выбрано так, дабы при t = 0 б = 0).
Набросок 6.1 — Рамка в магнитном поле
При вращении рамки в ней будет появляться переменная э.д.с. индукции
изменяющаяся с течением времени по гармоническому закону. При sin щt = 1 еi максимальна, т. е.
определяет наибольшие значения, достигаемые колеблющейся э.д.с. Беря во внимание (6.2), выражение (6.1) можно записать в виде
Таким макаром, если в однородном магнитном поле умеренно крутится рамка, то в ней появляется переменная э. д. c., изменяющаяся по гармоническому закону. Из формулы (6.2) вытекает, что еmax (поэтому, и э. д. с. индукции) находится в прямой зависимости от величин щ, В и S. В Рф принята стандартная частота тока v = щ/2р = 50 Гц, потому может быть только повышение 2-ух других величин. Для роста В используют массивные неизменные магниты либо в электромагнитах пропускают значимый ток, также вовнутрь электромагнита помещают сердечники из материалов с большой магнитной проницаемостью м. Если крутить не один, а ряд витков, соединенных последовательно, то тем возрастает S. Переменное напряжение снимается с вращающегося витка при помощи щеток, схематически изображенных на рис. 6.1.
Процесс перевоплощения механической энергии в электрическую обратим. Если через рамку, помещенную в магнитное поле, пропускать электрический ток, на нее будет действовать крутящий момент и рамка начнет крутиться. На этом принципе базирована работа электродвигателей, созданных для перевоплощения электроэнергии в механическую.
Самоиндукция
Электрический ток, текущий в любом контуре, делает пронизывающий этот контур магнитный поток Ш. При конфигурациях I меняется также и Ш, вследствие чего в контуре индуцируется э. д. с. Это явление именуется самоиндукцией.
В согласовании с законом Био — Савара магнитная индукция В пропорциональна силе тока, вызвавшего поле. Отсюда вытекает, что ток I в контуре и создаваемый им полный магнитный поток Ш через контур пропорциональны друг дружке:
Коэффициент пропорциональности L между силой тока и полным магнитным потоком именуется индуктивностью контура.
Линейная зависимость Ш от I наблюдается только в этом случае, если магнитная проницаемость м среды, которой окружен контур, не находится в зависимости от напряженности поля Н, т.е. в отсутствие ферромагнетиков. В неприятном случае м является сложной функцией от I и, так как В=м0мH, зависимость Ш от I также будет достаточно сложной. Но соотношение (7.1) распространяют и на этот случай, считая индуктивность L функцией от I. При постоянной силе тока I полный поток Ш может изменяться за счет изменений формы и размеров контура.
Из произнесенного следует, что индуктивность L находится в зависимости от геометрии контура (т.е. его формы и размеров), также от магнитных параметров (от м) окружающей контур среды. Если контур жесткий и вблизи от него нет ферромагнетиков, индуктивность L является неизменной величиной.
За единицу индуктивности в СИ принимается индуктивность такового проводника, у которого при силе тока в нем в 1 А появляется сцепленный с ним полный поток Ш, равный 1 Вб. Эту единицу именуют генри (Гн).
В гауссовой системе индуктивность имеет размерность длины. В согласовании с этим единицу индуктивности в этой системе именуют сантиметром. Индуктивностью в 1 см обладает таковой контур, с которым при силе тока в 1 СГСМ — единицу (т.е. 10 А) сцеплен поток, равный 1 Мкс (10 -8 Вб).
Вычислим индуктивность соленоида. Возьмем соленоид таковой длины, дабы его можно было фактически считать нескончаемым. При протекании по нему тока I снутри соленоида возбуждается однородное поле, индукция которого равна B = м0мnI. Поток через любой из витков равен Ф = BS, а полный магнитный поток, сцепленный с соленоидом,
Ш = NФ = nlBS = м0мn 2 lSI, (7.2)
где l — длина соленоида (которая подразумевается очень большой), S — площадь поперечного сечения, n — число витков на единицу длины (произведение nl дает полное число витков N).
Сравнение формул (7.1) и (7.2) дает для индуктивности очень длинноватого соленоида выражение
L = м0мn2lS = м0мn2V, (7.3)
где V=lS — объем соленоида.
Из (7.3) следует, что размерность равна размерности индуктивности, деленной на размерность длины. В согласовании с этим м0 измеряется в генри на метр.
При конфигурациях силы тока в контуре появляется э. д. с. самоиндукции еs равная
Если при конфигурациях силы тока индуктивность остается неизменной (что может быть только при отсутствии ферромагнетиков), выражение для э.д.с. самоиндукции имеет вид
Символ минус в этой формуле обоснован правилом Ленца, согласно которому индукционный ток бывает ориентирован так, дабы противодействовать причине, его вызывающей. В рассматриваемом случае предпосылкой, вызывающей еs, является изменение силы тока в цепи. Примем в качестве положительного направление обхода по часовой стрелке. При всем этом условии сила тока будет положительной, если ток течет в цепи по часовой стрелке, и отрицательной, если ток течет против часовой стрелки. Аналогично еs будет положительной, если она действует в направлении по часовой стрелке, и отрицательной, если она действует в направлении против часовой стрелки.
Производная dI/dt положительна в 2-ух случаях: или при возрастании положительного тока, или при убывании по модулю отрицательного тока. Из (7.4) следует, что в этих случаях еs<0. Это значит, что э.д.с. самоиндукции ориентирована против часовой стрелки и, поэтому, противится обозначенным изменениям тока (нарастанию положительного или убыванию отрицательного тока).
Производная dI/dt отрицательна также в 2-ух случаях: или при убывании положительного тока, или при увеличении по модулю отрицательного тока. В этих случаях еs>0 и, поэтому, противится изменениям тока (убыванию положительного или возрастанию по модулю отрицательного тока).
Соотношение (7.4) дает возможность найти индуктивность как коэффициент пропорциональности между скоростью конфигурации силы тока в контуре и возникающей вследствие этого э.д.с. самоиндукции. Но такое определение правомерно только в случае, когда L=const. В присутствии ферромагнетиков L недеформируемого контура будет функцией от I (через Н); поэтому, dL/dt можно записать как (dL/dl) (dl/dt). Произведя такую подстановку в формуле (7.3), получим
Отсюда видно, что при наличии ферромагнетиков коэффициент пропорциональности между dI/dt и еs никак не равен L.
Примеры проявления самоиндукции. Соответствующие проявления самоиндукции наблюдаются при замыкании и размыкании тока в цепи. Установление тока при замыкании цепи и убывание тока при размыкании цепи происходят не одномоментно, а равномерно. При этом эти эффекты замедления тем значительнее, чем больше индуктивность цепи. Хоть какой большой электромагнит обладает большой индуктивностью. Если его обмотку отсоединить от источника, ток стремительно миниатюризируется до нуля и в процессе уменьшения делает гигантскую э. д. с. самоиндукции. Это нередко приводит к образованию вольтовой дуги между контактами выключателя и является очень небезопасным, при этом не только лишь для обмотки электромагнита, но и для человека, размыкающего цепь. По этим причинам параллельно обмотке электромагнита обычно включают лампочку с сопротивлением такого же порядка, что и сопротивление обмотки. В данном случае ток в обмотке спадает медлительно и угрозы не представляет.
