Генератор переменного тока доклад по физике 11 класс

Обновлено: 02.07.2024

Презентация рассказывает о истории создания генератора переменного тока и различных магнитоэлектрических машинах и их назначени. Работа завершается небольшим опросником для слушателей 9 и 11 классов непрофильных школ.

Вложение	Размер
История создания генератора переменного тока.	2.44 МБ
История создания генератора переменного тока.	45.34 КБ

Предварительный просмотр:

Подписи к слайдам:

Генератор Переменного тока

Генератор переменного тока - э лектрическая машина, преобразующая механическую энергию в э лектрическую э нергию переменного тока

Майкл фарадей (1791-1867) 29 августа 1 831 года открыл явление электромаг-нитной индукции

Имя истинного создателя первого электромагнитного генератора осталось скрытым под инициалами P.M. , которыми изобретатель подписал отправленные Майклу Фарадею чертежи своего изобретения и приложенное к ним письмо .

Устройство Магнитоэлек-трической Машины братьев Пикси

Вернер Сименс (1816-1892 ) В 1856 году внёс важнейшее усовершенствование в конструкцию магнито-электрической машины.

Сименс придал якорю более удобную форму, Что позволило в дальнейшем Усовершенствовать конструкцию Магнитоэлектри-ческих машин…

… А также создать первую динамоэлектрическую Машину постоянного тока

Теофил грамм (1826-1901 ) В 1869 году создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. Созданная им кольцевая машина явилась первой практической д инамо-машиной с барабанным якорем

Кольцевая машина Грамма

Спасибо за внимание!

Предварительный просмотр:

ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Генератор переменного тока – электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока.

Электрические машины, генерирующие переменный ток, были известны в простом виде со времён открытия электромагнитной индукции Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года.

Открытие Фарадеем данного явления указало новый способ получения электрического тока, ведь магнитоэлектрическая машина основана на том, что электрический ток может быть вызван без всякой батареи одним передвижением магнита относительно замкнутых проводников.

Учёные и изобретатели тут же стали предпринимать попытки применения данного явления для получения электричества при помощи энергии движения.

Первый изобретатель электрического генератора, основанного на явлении электромагнитной индукции, пожелал остаться неизвестным. Произошло это так. Вскоре после опубликования Фарадеем своего доклада о явлении электромагнитной индукции, учёный нашёл в своём почтовом ящике письмо, подписанное латинскими буквами P.M., и приложенный к нему чертёж. Письмо содержало описание первого в мире синхронного генератора с возбуждением тока от постоянных магнитов. Внимательно разобравшись в этом проекте, Фарадей направил письмо и чертёж в тот же журнал, в котором был напечатан его доклад. Он надеялся, что неизвестный автор, следя за журналом, увидит опубликованным свой проект и сопровождавшее его письмо Фарадея, исключительно высоко оценивающее это изобретение. Действительно, спустя почти полгода P.M. прислал в редакцию журнала дополнительные разъяснения и описание предложенной им конструкции электрогенератора, но и на этот раз пожелал остаться неизвестным. Имя истинного создателя первого электромагнитного генератора так и осталось скрытым под инициалами P.M. Человечество до сих пор, несмотря на тщательные розыски историков электротехники, не знает, кому же оно обязано одним из важнейших изобретений.

Машина Р.М. была первым генератором переменного тока и не имела устройства для выпрямления тока. Необходимо было создать машину, в которой можно было бы получать ток, постоянный по величине и направлению.

Почти одновременно с неизвестным автором конструированием генераторов занимались в Париже братья Пикси (Ипполит и Карл) и профессор физики Лондонского университета, член Королевского общества В. Риччи . Созданные ими машины имели специальное устройство для выпрямления переменного тока в постоянный – так называемый коллектор. Первая магнитоэлектрическая машина братьев Пикси (рис. 8.1) была построена в 1832 году. Она явилась предшественницей всех динамо-машин, т.е. всех машин, служащих для превращения энергии движения в электрическую энергию.

Мимо неподвижных катушек Е и Е ', снабженных сердечниками, движутся посредством кривошипа и зубчатой передачи лежащие против них полюсы подковообразного магнита А , В , вследствие чего в катушках вызываются токи переменного направления. В генераторе братьев Пикси нужно было вращать тяжелые постоянные магниты, что затрудняло пользование им. Со временем поняли, что целесообразнее сделать неподвижными постоянные магниты, а вращать более легкие катушки между полюсами магнитов. Магнитоэлектрические генераторы такого типа оказались значительно удобнее и именно в такой конструктивной форме впервые вошли в практику.

В 1851 году идею о замене постоянных магнитов электромагнитами, возбуждаемыми током от магнитоэлектрической машины, высказал В. Зинстеден . Так начался второй этап развития электрогенераторов, занявший сравнительно небольшой отрезок времени.

Большим шагом вперед в развитии электрических генераторов было открытие принципа самовозбуждения, который получил широкую известность после 1867 года, когда почти одновременно в разных странах были построены генераторы с самовозбуждением, начался третий этап в развитии электрического генератора.

Бельгиец Теофил Грамм в 1869 году создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине Грамм использовал принцип самовозбуждения, а также усовершенствовал якорь Сименса, придав ему форму кольца. Он обвил железное кольцо непрерывной проволокой, концы которой соединил вместе, и таким образом получил спираль. Обороты спирали в каждой половине кольца соединены последовательно, но обе половины обмотки кольца соединены противоположно друг другу. Токи с обеих сторон направляются к верхней точке кольца, образуя положительный полюс. Подобным же образом в нижней точке, откуда берут свое направление токи, будет находиться отрицательный полюс. Кольцевая машина Грамма (рис. 8.5) явилась первой практической динамо-машиной с барабанным якорем. Такая весьма сложная конструкция якоря с незначительными усовершенствованиями используется и в настоящее время. Барабанный якорь позволяет достичь кругового пути прохождения максимального количества линий сил, возбуждающих ток в обмотке электромагнитов. Грамм дал несколько конструкций своей машины. В одной из первых его машин кольцевой якорь был укреплен на горизонтальном валу. Он вращался между охватывавшими его полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь приводился во вращение через приводной шкив. Обмотка электромагнита была включена последовательно с обмоткой. Генератор Грамма давал постоянный ток, который отводился с помощью металлических щеток, скользивших по поверхности коллектора.

Машина Грамма в сравнении с магнитоэлектрической машиной такого же веса развивала в шесть раз большую мощность. Этот генератор быстро вытеснил генераторы других типов и получил очень широкое распространение. В начале 70-х годов XIX века был уже хорошо известен принцип обратимости, и машина Грамма использовалась как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

В течение 70–80-х годов XIX века машина постоянного тока приобрела все основные черты современной машины . Дальнейшие усовершенствования не затрагивали основных принципов и конструктивных узлов машины, а были направлены на повышение качества, улучшение использования активных материалов и усовершенствование изоляции, повышение качества щеток и пр.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

История появления

Первый генератор был построен в 1832 г . парижскими техниками братьями Пиксии . Этим генератором трудно было пользоваться, так как приходилось вращать тяжелый постоянный магнит, чтобы в двух проволочных катушках, укрепленных неподвижно вблизи его полюсов, возникал переменный электрический ток. Генератор был снабжен устройством для выпрямления тока. Стремясь повысить мощность электрических машин, изобретатели увеличивали число магнитов и катушек. Одной из таких машин, построенной в 1843 г., был генератор Эмиля Штерера. У этой машины было три сильных подвижных магнита и шесть катушек, вращавшихся от рук вокруг вертикально оси. Таким образом, на первом этапе развития электромагнитных генераторов тока для получения магнитного поля применяли постоянные магниты. На втором этапе создавались генераторы у которых для увеличения мощности постоянные магниты были заменены электромагнитами. Их обмотка питалась током от самостоятельного небольшого генератора тока с постоянными магнитами.

При эксплуатации этой машины выяснилось, что генераторы, снабжая электроэнергией потребителя, могут одновременно питать током и собственные магниты. Оказалось, что сердечники электромагнитов сохраняют остаточный магнетизм после выключения тока. Благодаря этому генератор с самовозбуждением дает ток и тогда, когда его запускают из состояния покоя.

В 1870 г. бельгиец Зеноб Грамм, работавший во Франции, создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине он использовал принцип самовозбуждения и усовершенствовал кольцевой якорь, изобретенный еще в 1860 г. А. Пачинотти.

В одной из первых машин Грамма кольцевой якорь, укрепленный на горизонтальном валу, вращался между полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь приводился во вращение через приводной шкив, обмотки электромагнитов были включены последовательно с обмоткой якоря. Генератор Грамма давал постоянный ток, который отводится с помощью металлических щеток, скользивших по поверхности коллектора. Который при езде вырабатовал ток.

Первая динамо-машина была изобретена А. Йедликом в 1827 году. Он сформулировал концепцию динамо на шесть лет раньше, чем она была озвучена Сименсом, но не запатентовал ее.

Динамо-машина или динамо — это устаревшее название генератора, служащего для выработки постоянного электрического тока из механической работы. Динамо-машина была первым электрическим генератором, который стал применяться в промышленности. В дальнейшем ее вытеснили генераторы переменного тока, так как переменный ток легче поддается трансформированию.

Динамо-машина состоит из катушки с проводом, вращающейся в магнитном поле, создаваемом статором. Энергия вращения, согласно закону Фарадея преобразуется в переменный ток, но поскольку первые изобретатели динамо не умели работать с переменным током, то они использовали коммутатор для того, чтобы инвертировать полярность. В результате получался пульсирующий ток постоянной полярности.

Другие электрические генераторы, использующие вращение

Без коммутатора динамо-машина является примером генератора переменного тока. С электромеханическим коммутатором динамо-машина — классический генератор постоянного тока. Генератор переменного тока должен всегда иметь постоянную частоту вращения ротора и быть синхронизирован с другими генераторами в сети распределения электропитания. Генератор постоянного тока может работать при любой частоте ротора в допустимых для него пределах, но вырабатывает постоянный ток.

Генераторы постоянного тока являются источниками постоянного тока, в которых осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, в качестве которого могут быть использованы электрические двигатели внутреннего сгорания и т.д. Генераторы постоянного тока находят применение в тех отраслях промышленности, где по условиям производства необходим или является предпочтительным постоянный ток (на предприятиях металлургической и электролизной промышленности, на транспорте, на судах и др.). Используются они и на электростанциях в качестве возбудителей синхронных генераторов и источников постоянного тока.

В последнее время в связи с развитием полупроводниковой техники для получения постоянного тока часто применяются выпрямительные установки, но несмотря на это генераторы постоянного тока продолжают находить широкое применение.

Коммутатор п редназначен для коммутирования тока в первичной обмотке катушки зажигания в соответствии с управляющими импульсами датчика Холла Д-Р.

Датчик Холла

Магнитоэлектрический датчик Холла получил свое название по имени Э.Холла, американского физика, открывшего в 1879 г. важное гальваномагнитное явление. Достоинства этого переключателя - высокая надежность и долговечность, малые габариты, а недостатки - постоянное потребление энергии

Датчик Холла имеет щелевую конструкцию. С одной стороны щели расположен полупроводник, по которому при включенном зажигании протекает ток, а с другой стороны - постоянный магнит. В щель датчика входит стальной цилиндрический экран с прорезями. При вращении экрана, когда его прорези оказываются в щели датчика, магнитный поток воздействует на полупроводник с протекающим по нему током и управляющие импульсы датчика Холла подаются в коммутатор, в котором они преобразуются в импульсы тока в первичной обмотке катушки зажигания.

а - нет магнитного поля, по полупроводнику протекает ток питания - АВ;

б - под действием магнитного поля - Н

появляется ЭДС Холла - ЕF;

в - датчик Холла

Проверку датчика Холла проще всего производить заменой на заведомо исправный, но можно воспользоваться и обыкновенным вольтметром (тестером). У исправного датчика Холла вольтметр, включенный на измерения постоянного напряжения и подключенный к выходу датчика, по мере вращения вала датчика-распределителя должен резко менять показания от примерно 0,4 В до величины, не более чем на 3 В отличающейся от напряжения питания.

МГД генератор

Магнитогидродинамический генератор напрямую вырабатывает электроэнергию из энергии движущейся через магнитное поле плазмы или другой подобной проводящей среды (например, жидкого электролита) без использования вращающихся частей. Разработка генераторов этого типа началась потому, что на его выходе получаются высокотемпературные продукты сгорания, которые можно использовать для нагрева пара в парогазовых электростанциях и таким образом, повысить общий КПД МГТ генератор является обратимым устройством, то есть может быть использован и как двигатель.

Генератор переменного тока

Генератор переменного тока является электромеханическим устройством, которое преобразует механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.

Большой двухфазный генератор переменного тока был построен британским электриком Джеймсом Эдвардом Генри Гордоном в 1882 году.

Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции.

В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции. Если катушку например, из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении на выводах катушки появляется переменное

электрическое напряжение. И наоборот, для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток. Таким образом, для получения переменного электрического тока требуются катушка, по которой протекает постоянный электрический ток, образуя магнитный поток, называемая обмоткой возбуждения и стальная полюсная система, назначение которой — подвести магнитный поток к катушкам, называемым обмоткой статора, в которых наводится переменное напряжение. Эти катушки помещены в пазы стальной конструкции, магнитопровода (пакета железа) статора. Обмотка статора с его магнитопроводом образует собственно статор генератора, его важнейшую неподвижную часть, в которой образуется электрический ток, а обмотка возбуждения с полюсной системой и некоторыми другими деталями (валом, контактными кольцами) – ротор, его важнейшую вращающуюся часть. Питание обмотки возбуждения может осуществляться от самого генератора. В этом случае генератор работает на самовозбуждении. При этом остаточный магнитный поток в генераторе, т. е. поток, который образуют стальные части магнитопровода при отсутствии тока в обмотке возбуждения, невелик и обеспечивает самовозбуждение генератора только на слишком высоких частотах вращения. Поэтому в схему генераторной установки, там где обмотки возбуждения не соединены с аккумуляторной батареей, вводят такое внешнее соединение, обычно через лампу контроля работоспособного состояния генераторной установки. Ток, поступающий через эту лампу в обмотку возбуждения после включения выключателя зажигания и обеспечивает первоначальное возбуждение генератора. Сила этого тока не должна быть слишком большой, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею, но и не слишком малой, т. к. в этом случае генератор возбуждается при слишком высоких частотах вращения, поэтому фирмы-изготовители оговаривают необходимую мощность контрольной лампы — обычно 2. 3 Вт

Генератор постоянного тока

Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию в электрическую. В зависимости от способов соединения обмоток возбуждения с якорем генераторы.

Генераторы постоянного тока выпускаются на мощности от нескольких киловатт до 10 000 кВт.

Виды генераторов

1. Генератор независимого возбуждения . В генераторе с независимым возбуждением ток возбуждения, не зависит от тока якоря, который равен току нагрузки . Обычно ток возбуждения невелик .

2. Генератор с самовозбуждением. Генератор с самовозбуждением представляет собой резонансный усилитель с цепью обратной связи, по которой часть напряжения выходных колебаний подается обратно ко входу — на управляющую сетку. Принцип самовозбуждения состоит в следующем. Если к лампе усилителя приложить управляющее напряжение, то в анодном контуре возникнут усиленные колебания.

3. Генераторы последовательного возбуждения . У генераторов последовательного возбуждения ток возбуждения равен току якоря .

4. Генераторы смешанного возбуждения. В генераторе со смешанным возбуждением имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Наличие двух обмоток при их согласном включении позволяет получать приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки.

5. Генератор параллельного возбуждения. У генератора параллельного возбуждения обмотка возбуждения питается от собственного якоря Электродвижущая сила в якоре появляется в результате самовозбуждения машины, происходящего под действием остаточного магнетизма в полюсах и ярме статора. Для того чтобы в машине появился магнитный поток остаточного магнетизма, она хотя бы один раз должна быть намагничена путем пропускания тока через обмотку возбуждения oт постороннего источника. Так как обмотка воз ¬ буждения подключена к якорю, то ЭДС создает в ней небольшой ток. Этот ток, протекая по обмотке возбуждения, увеличивает магнитный поток полюсов, который в свою очередь увеличивает ЭДС в якоре. Увеличение ЭДС вызывает повышение тока в обмотке возбуждения, который еще сильнее увеличивает магнитный поток полюсов и ЭДС, наводимую в якоре, что вызывает дальнейшее возрастание тока возбуждения.

Автомобильный генератор

Автомобильный генератор — устройство, обеспечивающее преобразование механической энергии вращения, двигателя автомобиля в электрическую. Автомобильный генератор используется для зарядки аккумуляторной батареи автомобиля, а также для питания штатных электропотребителей таких как бортовой компьютер, габаритные огни и другие. К автомобильным генераторам предъявляют высокие требования по надежности, так как генератор обеспечивает бесперебойную работу большинства компонентов современного автомобиля.

В современных автомобилях применяются вентильные генераторы. Это синхронные трехфазные электрические машины переменного тока, которые — как отечественные, так и зарубежные — имеют очень похожие конструкции и отличаются, если оставить в стороне качество изготовления, только габаритами, расположением присоединительных мест и отдельных узлов.

Статор автомобильного генератора представляет собой кольцо с 18 обмотками: по 6 на каждую фазу. Каждая обмотка имеет 5 витков.

На валу ротора установлены контактные кольца, на которые с помощью щёток подается напряжение с АКБ. В результате, через обмотку возбуждения ротора начинает протекать ток, который создаёт магнитное поле.

После запуска двигателя ротор приводится во вращение, и вращающееся магнитное поле ротора начинает пересекать обмотки статора, в результате чего в каждой обмотке возникает электродвижущая сила и переменный ток.

С помощью выпрямительного блока переменный ток обмоток статора преобразуется в постоянный. Выпрямительный блок состоит из двух алюминиевых пластин, в которые запрессовано по три диода.

Напряжение, вырабатываемое генератором, в наибольшей степени зависит от частоты вращения ротора и силы тока в обмотках возбуждения.

Для нормальной работы потребителей напряжение, вырабатываемое генератором, должно быть в пределах 13,7 – 14,5 В.

При большой частоте вращения коленчатого вала напряжение, вырабатываемое генератором, растёт. Для того чтобы выдаваемое генератором напряжение удерживалось в пределах 13,7 – 14,5 В, используются реле-регуляторы напряжения. Если напряжение превышает допустимые 14,5 В, реле-регулятор прерывает цепь обмотки возбуждения ротора и ток через обмотку возбуждения не идёт. В результате, напряжение, выдаваемое генератором начинает падать, и когда оно вновь попадает в интервал 13,7 – 14,5 В, подача тока в обмотку возбуждения ротора возобновляется.

Корпус (5) и передняя крышка генератора (2) служат опорами для подшипников (9 и 10), в которых вращается якорь (4). На обмотку возбуждения якоря напряжение от аккумулятора подается через щетки (7) и контактные кольца (11). Якорь приводится в движение посредством клинового ремня через шкив (1). При запуске двигателя, как только якорь начинает вращаться, создаваемое им электромагнитное поле индуцирует переменный электрический ток в обмотке статора (3). В выпрямительном блоке (6) этот ток становится постоянным. Далее ток через совмещенный с выпрямительным блоком регулятор напряжения поступает в электросеть автомобиля для питания системы зажигания, освещения и сигнализации, контрольно-измерительных приборов и др. Аккумуляторная батарея подключится к числу этих приборов и начнет подзаряжаться чуть позднее, как только электроэнергии, вырабатываемой генераторной установкой, станет достаточно, чтобы обеспечить бесперебойное функционирование всех потребителей.

На уроке мы с вами вспомним, с помощью какого устройства получают переменный электрический ток. Познакомимся с устройством и принципом действия трансформатора и узнаем, для чего он служит. Научимся рассчитывать коэффициент трансформации. А также поговорим о производстве, передаче и потреблении электрической энергии.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Генератор переменного тока. Трансформатор"

На одном из прошлых уроков мы с вами знакомились с переменным электрическим током и его свойствами. Мы узнали, что основная часть электроэнергии в мире вырабатывается с помощью электромеханических индукционных генераторов переменного тока, создающими синусоидальное напряжение.

Индукционным генератором переменного тока называется устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в энергию переменного тока.

Напомним, что основными частями индукционного генератора переменного тока являются:

индуктор — это постоянный магнит или электромагнит, который создаёт магнитное поле;

якорь — это обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС;

и колле́ктор — контактные кольца и скользящие по ним контактные пластины (щётки), с помощью которых ток снимается или подводится к вращающимся частям.

Вращающаяся часть индукционного генератора называется ротором, а неподвижная — статором.

Как вы знаете, электрический ток вырабатывается на различного рода электростанциях. А выработанная на них электроэнергия передаётся потребителю с помощью линий электропередач (сокращённо ЛЭП). Вроде бы всё просто, но тут есть несколько нюансов. Дело в том, что потребители электричества есть повсюду. А вот производится она в сравнительно немногих местах и, как правило, близко к источникам топливо- и гидроресурсов. Помимо этого электроэнергию невозможно законсервировать в огромных масштабах, поэтому она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому существует необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния. Однако при передаче электроэнергии неизбежны потери энергии, так как ток, проходя по проводам линии, нагревает их. Энергия тока, идущая на нагревание проводов линии передачи, является потерянной энергией.

Чтобы передача электрической энергии была экономически выгодной, необходимо потери на нагревание проводов сделать возможно малыми. Но как это осуществить? Закон Джоуля — Ленца указывает на два различных пути решения этой проблемы. Один путь — уменьшить сопротивление проводов линии передачи. Это можно сделать, взяв провода с большим сечением. Выясним на примере осуществимо ли это практически.

Пусть на электростанции установлен генератор постоянного тока мощностью 200 кВт, создающий напряжение 120 В. Требуется передать вырабатываемую генератором энергию на расстояние 10 км от станции. Какого сечения нужно взять медные провода, чтобы потери в линии передачи не превышали 10 % от передаваемой мощности?

Практически это значит, что такой способ передачи энергии невозможен.

Другой путь, ведущий к уменьшению потерь энергии в линии передачи, заключается в уменьшении тока в линии передачи. Но при данной мощности уменьшение тока возможно лишь при увеличении напряжения. Пусть теперь та же мощность в 200 кВт передаётся при напряжении 12 кВ. Тогда сила тока в линии электропередач составит примерно 16,67 А (то есть в сто раз меньше, чем в предыдущем случае). Так как величина тока уменьшилась в сто раз, то при тех же потерях мощности в ЛЭП сопротивление линии передачи увеличится в 100 2 раз, то есть в 10 000. А вот сечение проводов в 10 000 раз уменьшиться и станет равным 4,86 мм 2 . Значит и вес меди, идущей на изготовление провода, уменьшится в те же 10 000 раз. Следовательно, передача энергии станет практически возможной.

Таким образом, при передаче электроэнергии на большие расстояния необходимо пользоваться высоким напряжением. При этом чем длиннее линия передачи, тем более высокое напряжение в ней используется/

Поэтому при передаче энергии на большие расстояния приходится повышать напряжение тока, получаемого от генераторов, что осуществляется при помощи трансформаторов.

Трансформатор — это устройство, служащее для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.

Днём рождения трансформатора переменного тока считается 30 ноября 1876 года — это дата получения патента Павлом Николаевичем Яблочковым на устройство, предназначенное для питания изобретённых им же электрических свечей — нового в то время источника света.

В основе работы любого трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Рассмотрим схему простейшего трансформатора. Итак, он состоит из двух изолированных катушек (обмоток) с разным числом витков в них. Обмотки находятся на сердечнике, который состоит из отдельных стальных пластин, собранных в замкнутую раму той или иной формы.

Приложим к концам левой обмотки, которую мы будем называть первичной, переменное напряжение (от сети или генератора). По обмотке пойдёт переменный ток, который намагнитит сталь сердечника, создав в нём переменный магнитный поток. По мере нарастания тока будет расти и магнитный поток в сердечнике, изменение которого возбудит в витках катушки ЭДС самоиндукции, мгновенное значение которой равно первой производной магнитного потока через поверхность, ограниченную одним витком, по времени:

Переменный магнитный поток, возникающий в сердечнике трансформатора, пронизывает и витки вторичной обмотки, возбуждая в каждом из них такую же по величине ЭДС индукции, что и в каждом витке первичной обмотки.

Разделив почленно первое уравнение на второе, получим, что возникающие в катушках ЭДС индукции (самоиндукции) пропорциональны числу витков в них:

Обычно активное сопротивление обмоток катушек очень мало и им часто пренебрегают. Поэтому приложенное к концам первичной обмотки напряжение можно считать примерно равным возникающей в ней ЭДС самоиндукции, взятой с обратным знаком:

Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (это так называемый холостой ход трансформатора), то тока в ней нет, и напряжение на зажимах вторичной обмотки, равно индуцированной в ней ЭДС взятой с обратным знаком:

Мгновенные значения обеих ЭДС изменяются синфазно (то есть одновременно достигают максимумов и минимумов). Поэтому их значения можно заменить отношением действующих значений ЭДС или, учитывая предыдущие равенства, отношением действующих значений напряжений:

Величину К, равную отношению числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке, называют коэффициентом трансформации.

В том случае, когда нужно повысить напряжение, вторичная обмотка устраивается с большим числом витков (это повышающий трансформатор):

В случае же, когда надо понизить напряжение, вторичная обмотка трансформатора берётся с меньшим числом витков (это понижающий трансформатор):

Пока вторичная обмотка разомкнута, трансформатор работает вхолостую. При холостом ходе он потребляет небольшую энергию, так как ток, намагничивающий стальной сердечник вследствие большой индуктивности катушки, очень мал. Передача энергии из первичной цепи во вторичную при холостом ходе отсутствует.

Нагрузим наш трансформатор, замкнув через нагрузку цепь его вторичной обмотки (это так называемый рабочий ход трансформатора). В этом случае происходит непрерывная передача энергии из первичной обмотки трансформатора в его вторичную обмотку. При этом мощность, выделяемая в первичной цепи и выделяемая на нагрузке, будут определяться уравнениями, представленными на экране:

Напомним, что здесь cos φ определяет коэффициент мощности переменного тока. Зная мощности тока в первичной и вторичной цепи трансформатора, можно найти коэффициент полезного действия последнего:

Согласно закону сохранения и превращения энергии, мощность тока во вторичной цепи должна бы быть равна мощности в первичной цепи:

В действительности же это равенство не соблюдается, так как при работе трансформатора имеются потери на нагревание обмоток трансформатора, на вихревые токи в сердечнике и на перемагничивание сердечника; однако потери эти невелики и сдвиги фаз между колебаниями силы тока и напряжения близки к нулю.

Поэтому трансформатор принадлежит к числу наиболее совершенных преобразователей энергии. А их коэффициент полезного действия достигает девяноста девяти процентов (99 %).

Иногда потерями в трансформаторе можно пренебречь и считать его КПД равным 100 %. Тогда из равенства мощностей первичной и вторичной цепи следует, что нагрузочные токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора обратно пропорциональны приложенным к ним напряжениям:

Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).

Для закрепления материала, решим с вами такую задачу. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 350 витков, включён в сеть с напряжением 220 В. Ко вторичной обмотке трансформатора, имеющей 155 витков, включён потребитель сопротивлением 80 Ом. Какова сила тока во вторичной цепи, если падение напряжения на потребителе равно 70 В? Чему равно сопротивление вторичной катушки?

В заключение отметим, что напряжение, вырабатываемое генераторами на различных электростанциях, обычно не превышает 20 кВ. В то время, как мы показали ранее, для оптимальной передачи электричества на большие расстояния требуется напряжение в несколько сотен киловольт. Поэтому ток с электростанции сначала подаётся на расположенную неподалёку повышающую трансформаторную подстанцию, а затем — в линии электропередач. Но поскольку очень высокое напряжение не может быть предложено потребителю, то в конце линии его подают поочерёдно на несколько трансформаторных подстанций, понижающих напряжение до 380 В или 220 В. И лишь потом электроэнергию получают жилые дома и предприятия.

Благодаря изобретению генератора уже в середине XIX в. у промышленности и населения появилась реальная возможность производства и использования электричества, например, для работы станков или освещения домов и улиц. Кстати, электрические двигатели постоянного тока по своей конструкции практически полностью аналогичны генераторам. Более того, если вращать якорь электромотора постоянного тока (например, от электрической машинки или другой игрушки), он, как и генератор, начнет вырабатывать ток.

Принцип работы первого генератора

В 1831 г. английский ученый Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию. Сущность этого открытия заключалась в том, что если вращать проводник между полюсами магнита, то в нем возникнет электромагнитное поле. Такое поле возбуждает движение электронов, и по проводнику начинает течь электрический ток. Благодаря этому открытию стало возможным создание электрического генератора и электрического двигателя.

Как работает электрогенератор?

Работа электрогенератора состоит во взаимодействии статора, ротора и контактных колец. Статор во включенном генераторе остается неподвижным. Расстояние между статором и ротором составляет всего лишь несколько миллиметров, поэтому между ними возникает очень сильное магнитное поле, и в обмотке ротора появляется электрический ток большой мощности. Обмотка статора при подаче напряжения от внешнего источника превращается в электромагнит.

Ротор соединен с валом механического устройства (двигатель внутреннего сгорания, ветряной или водяной двигатель и т. п.) и вращается во время работы генератора. Обмотка ротора в момент своего движения постоянно пересекает магнитное поле, создаваемое обмотками статора, и в ней образуется электрический ток.

Такая конструкция позволила избавиться от больших и тяжелых постоянных магнитов. Контактные кольца предназначены для съема электрической энергии с обмоток ротора. Они представляют собой барабан со множеством медных пластин, к которым подключены обмотки ротора. Снаружи с ними соприкасаются графитовые щетки, к которым с помощью проводов подключен потребитель электрической энергии.

Современный водяной двигатель

Электричество из воды

В наши дни электричество производят на гидроэлектростанциях, которые используют энергию движущейся воды.

Гидроэлектростанция состоит из двух основных частей: энергоблока и плотины (или дамбы), накапливающей воду. В энергоблоке расположены генераторы, вырабатывающие электрический ток. Их роторы вращаются благодаря водяным турбинам. Так энергия потока воды преобразуется в электрическую.

Гидроэлектростанции-гиганты

Читайте также: