Η αρχή της λειτουργίας της γεννήτριας

Οι γεννήτριες είναι μηχανές μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια… Η αρχή λειτουργίας της γεννήτριας βασίζεται το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, όταν ένα EMF προκαλείται σε έναν αγωγό που κινείται σε ένα μαγνητικό πεδίο και διασχίζει τις μαγνητικές του δυνάμεις. Επομένως, ένας τέτοιος αγωγός μπορεί να θεωρηθεί από εμάς ως πηγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Η μέθοδος λήψης επαγόμενου EMF, κατά την οποία το σύρμα κινείται σε μαγνητικό πεδίο, κινείται προς τα πάνω ή προς τα κάτω, είναι πολύ άβολη για την πρακτική χρήση του. Επομένως, στις γεννήτριες χρησιμοποιείται όχι ευθύγραμμη, αλλά περιστροφική κίνηση του σύρματος.

Τα κύρια μέρη οποιασδήποτε γεννήτριας είναι: ένα σύστημα μαγνητών, ή πιο συχνά ηλεκτρομαγνήτες, που δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο, και ένα σύστημα συρμάτων που διασχίζουν αυτό το μαγνητικό πεδίο.

Ας πάρουμε ένα σύρμα σε μορφή κυρτού βρόχου, το οποίο θα ονομάσουμε περαιτέρω πλαίσιο (Εικ. 1), και ας το τοποθετήσουμε σε ένα μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από τους πόλους ενός μαγνήτη. Εάν σε ένα τέτοιο πλαίσιο δοθεί μια περιστροφική κίνηση γύρω από τον άξονα 00, τότε οι πλευρές του που βλέπουν τους πόλους θα διασχίσουν τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου και θα προκληθεί ένα EMF σε αυτές.

Ρύζι. 1. Επαγωγή EMF σε αγωγό (πλαίσιο) σε σχήμα καμπάνας που περιστρέφεται σε μαγνητικό πεδίο

Συνδέοντας μια λάμπα στο πλαίσιο χρησιμοποιώντας μαλακά καλώδια, με αυτόν τον τρόπο θα κλείσουμε το κύκλωμα και το φως θα ανάψει. Ο λαμπτήρας θα συνεχίσει να καίει ενώ το πλαίσιο περιστρέφεται σε μαγνητικό πεδίο. Μια τέτοια συσκευή είναι η απλούστερη γεννήτρια, η οποία μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια που δαπανάται για την περιστροφή του πλαισίου σε ηλεκτρική ενέργεια.

Μια τέτοια απλή γεννήτρια έχει ένα μάλλον σημαντικό μειονέκτημα. Μετά από σύντομο χρονικό διάστημα, τα μαλακά καλώδια που συνδέουν τη λάμπα με το περιστρεφόμενο πλαίσιο θα στραφούν και θα σπάσουν. Για να αποφευχθούν τέτοιες διακοπές στο κύκλωμα, τα άκρα του πλαισίου (Εικ. 2) συνδέονται σε δύο χάλκινους δακτυλίους 1 και 2, οι οποίοι περιστρέφονται μαζί με το πλαίσιο.

Αυτοί οι δακτύλιοι ονομάζονται δακτύλιοι ολίσθησης. Το ηλεκτρικό ρεύμα εκτρέπεται από τους δακτυλίους ολίσθησης στο εξωτερικό κύκλωμα (στον λαμπτήρα) μέσω των ελαστικών πλακών 3 και 4 που βρίσκονται δίπλα στους δακτυλίους. Αυτές οι πλάκες ονομάζονται βούρτσες.

Ρύζι. 2. Η κατεύθυνση του επαγόμενου EMF (και του ρεύματος) στα καλώδια Α και Β του πλαισίου που περιστρέφεται σε μαγνητικό πεδίο: 1 και 2 — δακτύλιοι ολίσθησης, 3 και 4 — βούρτσες.

Με μια τέτοια σύνδεση του περιστρεφόμενου πλαισίου στο εξωτερικό κύκλωμα, η αποσύνδεση των καλωδίων σύνδεσης δεν θα συμβεί και η γεννήτρια θα λειτουργεί κανονικά.

Ας εξετάσουμε τώρα την κατεύθυνση του EMF που προκαλείται στα καλώδια του πλαισίου ή, που είναι η ίδια, την κατεύθυνση του ρεύματος που προκαλείται στο πλαίσιο με το εξωτερικό κύκλωμα κλειστό.

Με τη φορά περιστροφής του πλαισίου, που φαίνεται στο σχ. 2, στον αριστερό αγωγό AA, το EMF θα επαχθεί προς μια κατεύθυνση από εμάς έξω από το επίπεδο του σχεδίου, και στο δεξιό εκρηκτικό - λόγω του επιπέδου του σχεδίου πάνω μας.

Δεδομένου ότι τα δύο μισά του σύρματος πλαισίου συνδέονται σε σειρά μεταξύ τους, το επαγόμενο EMF σε αυτά θα αυξηθεί και στη βούρτσα 4 θα υπάρχει ένας θετικός πόλος της γεννήτριας και ένας αρνητικός πόλος της βούρτσας 3.

Ας παρακολουθήσουμε την αλλαγή στο επαγόμενο EMF καθώς το πλαίσιο περιστρέφεται πλήρως. Εάν το πλαίσιο δεξιόστροφα περιστραφεί κατά 90° από τη θέση που φαίνεται στην Εικ. 2, τότε τα μισά του αγωγού του εκείνη τη στιγμή θα κινηθούν κατά μήκος των γραμμών του μαγνητικού πεδίου και η επαγωγή του EMF σε αυτά θα σταματήσει.

Περαιτέρω περιστροφή του πλαισίου κατά άλλες 90 ° θα οδηγήσει στο γεγονός ότι τα καλώδια του πλαισίου θα διασχίσουν ξανά τις γραμμές δύναμης του μαγνητικού πεδίου (Εικ. 3), αλλά το σύρμα ΑΑ θα κινηθεί σε σχέση με τις γραμμές δύναμης όχι από κάτω προς τα πάνω, αλλά από πάνω προς τα κάτω, ενώ το σύρμα ΒΒ αντίθετα, θα διασχίσει τις γραμμές δύναμης, κινούμενος από κάτω προς τα πάνω.

Ρύζι. 3. Αλλαγή της κατεύθυνσης του επαγόμενου e. και τα λοιπά. s. (και ρεύμα) όταν το πλαίσιο περιστρέφεται 180 ° σε σχέση με τη θέση που φαίνεται στο σχ. 2.

Με μια νέα θέση του πλαισίου, η κατεύθυνση του επαγόμενου emf στα καλώδια AL και BB θα αλλάξει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτό προκύπτει από το γεγονός ότι η ίδια η κατεύθυνση στην οποία κάθε ένα από αυτά τα καλώδια διασχίζει τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου σε αυτή την περίπτωση έχει αλλάξει. Ως αποτέλεσμα, η πολικότητα των βουρτσών της γεννήτριας θα αλλάξει επίσης: η βούρτσα 3 θα γίνει πλέον θετική και η βούρτσα 4 αρνητική.

Γυρίζοντας περαιτέρω το πλαίσιο, θα έχουμε και πάλι την κίνηση των συρμάτων AA και BB κατά μήκος των γραμμών μαγνητικής δύναμης και στο μέλλον - την επανάληψη όλων των διεργασιών από την αρχή.

Έτσι, κατά τη διάρκεια μιας πλήρους περιστροφής του πλαισίου, το επαγόμενο EMF αλλάζει την κατεύθυνσή του δύο φορές και η τιμή του ταυτόχρονα φτάνει επίσης τις υψηλότερες τιμές του δύο φορές (όταν τα καλώδια του πλαισίου περνούν κάτω από τους πόλους) και δύο φορές ίση με μηδέν (στις στιγμές κίνησης των συρμάτων κατά μήκος των γραμμών του μαγνητικού πεδίου).

Είναι αρκετά σαφές ότι ένα EMF που αλλάζει σε κατεύθυνση και μέγεθος θα προκαλέσει ένα ηλεκτρικό ρεύμα που αλλάζει σε κατεύθυνση και μέγεθος σε ένα κλειστό εξωτερικό κύκλωμα.

Έτσι, για παράδειγμα, εάν ένας λαμπτήρας συνδεθεί στους ακροδέκτες αυτής της απλούστερης γεννήτριας, τότε κατά το πρώτο μισό της περιστροφής του πλαισίου, το ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του λαμπτήρα θα πάει προς μία κατεύθυνση και κατά το δεύτερο μισό της στροφή, στο άλλο.

Ρύζι. 4. Καμπύλη μεταβολής του επαγόμενου ρεύματος για μία περιστροφή του πλαισίου

Η καμπύλη στο σχ. Το 1 δίνει μια ιδέα για τη φύση της τρέχουσας αλλαγής όταν το πλαίσιο περιστρέφεται 360 °, δηλαδή σε μια πλήρη περιστροφή. 4. Επάγεται ηλεκτρικό ρεύμα που αλλάζει συνεχώς σε μέγεθος και κατεύθυνση εναλλασσόμενο ρεύμα.