Генератор электрического тока в физике - формулы и определение с примерами

Генератор электрического тока:

В динамике вращательного движения используется понятие момента силы, действующей на тело. Моментом силы называется произведение силы и ее плеча: М=Fl. Плечо l силы определяется как кратчайшее расстояние от оси вращения до линии, вдоль которой действует сила.

Тело, имеющее неподвижную ось вращения, находится в равновесии, если алгебраическая сумма моментов всех сил, приложенных к нему, относительно этой оси равна нулю.

Любые собственные колебания в реальной (неидеальной) механической системе затухают с течением времени. Для того чтобы колебания в системе не затухали, необходимо воздействие на нее некоторой внешней силы.
Вынужденные колебания возникают в механической системе при действии на нее внешней периодической силы.

Аналогично этому вынужденные электромагнитные колебания в электрической цепи происходят под действием внешней периодически изменяющейся ЭДС или внешнего изменяющегося напряжения.
Вынужденные электромагнитные колебания в электрической цепи представляют собой переменный электрический ток. Ток, сила и направление которого периодически меняются, называется переменным.

Основная часть электроэнергии в мире в настоящее время вырабатывается генераторами переменного тока, создающими синусоидальное напряжение, которое позволяет наиболее просто и экономично осуществлять передачу, распределение и использование электрической энергии.
Электротехническое устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в энергию переменного тока, называется генератором переменного тока.

Принцип действия генератора переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции.

Пусть проводящая рамка площадью S вращается с частотой n оборотов в секунду вокруг оси, расположенной в плоскости рамки перпендикулярно однородному магнитному полю индукцией

Магнитный поток, пронизывающий рамку, определяется по формуле

При равномерном вращении рамки угол между направлениями индукции магнитного поля и нормали к плоскости рамки меняется со временем по линейному закону. Если в момент времени угол (см. рис. 189), то

где — угловая скорость вращения рамки.

Поскольку магнитный поток, пронизывающий рамку, изменяется с течением времени (рис. 190), то в ней согласно закону Фарадея индуцируется ЭДС:

Как видно, ЭДС индукции изменяется по синусоидальному закону:

где — амплитудное (максимальное) значение ЭДС.

• Заказать решение задач по физике

Подчеркнем, что ток в цепи проходит в одном направлении в течение полуоборота рамки, а затем меняет направление на противоположное, которое также остается неизменным в течение следующего полуоборота.

Основными частями генератора переменного тока являются:

• индуктор — электромагнит или постоянный магнит, который создает магнитное поле;
• якорь — обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС;
• коллектор со щетками — устройство, посредством которого ток снимается с вращающихся частей или подается по ним.

Неподвижная часть генератора называется статором, а подвижная — ротором.
В зависимости от конструкции генератора его якорь может быть как ротором, так и статором. Для получения переменных токов большой мощности якорь делают неподвижным, чтобы конструктивно упростить схему передачи тока в промышленную сеть.

На современных гидроэлектростанциях вода вращает вал электрогенератора с частотой 1—2 оборота в секунду. Таким образом, если бы якорь генератора имел только одну рамку (обмотку), то получался бы переменный ток частотой 1 —2 Гц.
Поэтому для получения переменного тока промышленной частоты 50 Гц якорь должен содержать несколько обмоток, позволяющих увеличить частоту вырабатываемого тока.

Для паровых турбин, ротор которых вращается очень быстро, используют якорь с одной обмоткой. В этом случае частота вращения ротора совпадает с частотой переменного тока, т. е. ротор должен делать

Для увеличения амплитудного значения ЭДС индукции нужно либо увеличивать индукцию магнитного поля, пронизывающего каждую обмотку якоря, либо увеличивать число витков его обмоток. Для увеличения индукции магнитного поля обмотку индуктора наматывают на стальной сердечник, а зазор между сердечниками якоря и индуктора делают как можно меньшим. Мощные генераторы вырабатывают напряжение 15—20 кВ и обладают КПД 97—98%.