§ 24. Электрогенератор

Определения и обозначения

Электрогенератор — устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую. Его назначение — получать электрический ток, например на электростанциях, в переносных генераторах или в некоторых системах транспорта. Чтобы генератор работал, нужно привести в движение его часть — рамку или магнит.

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного поля через контур. Контуром называют замкнутую линию, ограничивающую поверхность, например виток проволоки. Это явление объясняет, почему движущийся в магнитном поле проводник может стать источником тока.

Индуцированный ток — ток, возникающий в проводнике вследствие электромагнитной индукции. Его направление зависит от того, как движется проводник относительно магнитного поля и как меняется поле через контур. Если изменить направление движения, направление индуцированного тока тоже изменится.

Переменный ток — ток, который периодически изменяет направление. В генераторе он получается потому, что рамка вращается: её стороны по очереди движутся в разные стороны относительно магнитного поля. Понятие переменного тока помогает описать работу генераторов, питающих многие электрические сети.

Как это устроено

Чтобы понять работу генератора, представим замкнутую рамку, помещённую между полюсами магнита. Магнитное поле проходит через поверхность, ограниченную рамкой. Когда рамка или проводник движется, меняется положение проводника относительно поля, а значит, меняется магнитное поле через контур. Именно изменение, а не одно лишь присутствие магнита, вызывает электромагнитную индукцию и ток.

В простейшем генераторе есть магнит, вращающаяся рамка и устройство, передающее ток во внешнюю цепь. Концы рамки соединяют с контактами, которые скользят по неподвижным частям цепи, поэтому рамка может вращаться, не разрывая электрическое соединение. Рамка нужна как проводник, в котором возникает ток, а магнит создаёт поле. Внешняя цепь замыкает путь тока и позволяет передать его потребителю.

При вращении рамка проходит разные положения относительно магнитного поля. Из-за этого меняется, сколько магнитного поля проходит через ограниченную ею поверхность, а вместе с этим меняются величина и направление индуцированного тока. Когда стороны рамки движутся в обратном направлении, направление тока становится противоположным. Поэтому ток во внешней цепи периодически меняет направление и называется переменным.

Для вращения рамки нужно приложить механическое усилие: например, её может вращать турбина. При этом приходится преодолевать действие возникающих сил, поэтому источник вращения расходует энергию. Эта энергия не появляется из ничего, а передаётся в цепь в виде электрической энергии. Так генератор превращает механическую энергию вращения в электрическую.

Генератор и электродвигатель преобразуют энергию в противоположных направлениях. Генератор получает механическое движение и производит электрический ток, а электродвигатель получает ток и начинает вращаться. Связь между устройствами показывает, что электрическую и механическую энергию можно преобразовывать друг в друга. Поэтому двигатель, если привести его в движение, в определённых условиях может работать как генератор.

Электрогенератор: устройство и действие

Читайте таблицу по порядку: магнит создаёт поле, а вращение рамки меняет поле через контур. Это изменение вызывает ток, который через контакты передаётся во внешнюю цепь. Последняя строка показывает, откуда берётся энергия, поступающая к потребителю.

Разбор задач

Задача 1. Рамку вращают между полюсами магнита. Объясните, почему в замкнутой цепи возникает ток.

1. Вспоминаем условие возникновения индукционного тока: магнитное поле через замкнутый контур должно изменяться.
2. При вращении рамки меняется её положение относительно магнитного поля. Поэтому поле через ограниченную рамкой поверхность не остаётся постоянным.
3. Изменение поля вызывает электромагнитную индукцию, и в проводнике появляется ток.

Ответ: вращение изменяет магнитное поле через рамку, поэтому в замкнутой цепи возникает индуцированный ток. Если бы рамка и магнит были неподвижны относительно друг друга, такого изменения не происходило бы.

Задача 2. В какую сторону изменится направление индуцированного тока, если изменить направление вращения рамки?

1. Определяем, что именно меняется: стороны рамки начинают двигаться в противоположном направлении относительно магнитного поля.
2. При таком движении меняется направление изменения магнитного поля через контур. Поэтому направление индуцированного тока становится противоположным.
3. Во внешней цепи ток тоже меняет направление, так как цепь соединена с рамкой.

Ответ: направление индуцированного тока изменится на противоположное. Проверка рассуждения проста: обратное движение рамки должно приводить к обратному направлению тока.

Задача 3. Рамку генератора вращают быстрее. Как изменится частота изменения направления тока и почему?

1. Связываем один полный поворот рамки с повторением её положений относительно магнитного поля.
2. При более быстром вращении рамка за то же время совершает больше поворотов. Значит, смена направления движения её сторон происходит чаще.
3. Каждая такая смена приводит к изменению направления индуцированного тока во внешней цепи.

Ответ: направление тока будет меняться чаще, то есть частота его изменения увеличится. Причина — за единицу времени рамка успевает совершить больше оборотов.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что генератор создаёт энергию из ничего. Так думают, потому что видят ток на выходе, но не замечают, что для вращения рамки нужен источник механической энергии. Проверьте себя: у работающего генератора всегда есть то, что приводит его в движение, например турбина или двигатель.

• Ошибка — путать генератор с электродвигателем. Оба устройства связаны с электричеством и движением, поэтому их легко смешать, но направления преобразования энергии у них противоположны. Проверьте себя: генератор получает вращение и отдаёт ток, а двигатель получает ток и вращается.

• Ошибка — думать, что ток появляется просто из-за наличия магнита. Магнитное поле само по себе не гарантирует ток: при неподвижном контуре поле через него не меняется. Проверьте себя вопросом: изменяется ли магнитное поле через замкнутую цепь?

• Ошибка — считать, что при вращении рамки направление индуцированного тока постоянно. Это кажется правдоподобным, если представить только один момент движения, но положение рамки и направление движения её сторон меняются. Проверьте себя: при полном повороте рамка проходит участки, где стороны движутся относительно поля в противоположных направлениях.

Связь с другими темами

Для понимания генератора нужны знания об электрическом токе, замкнутой цепи и магнитном поле: они помогают проследить путь тока и причину его появления. Электромагнитная индукция объясняет получение электричества на электростанциях, а устройство генератора пригодится при изучении производства и передачи электроэнергии. Сравнение генератора с электродвигателем помогает увидеть взаимное превращение механической и электрической энергии. Эти знания связывают темы электричества и движения.

Что запомнить

• Электрогенератор преобразует механическую энергию в электрическую.
• Действие генератора основано на электромагнитной индукции.
• Ток возникает при изменении магнитного поля через контур.
• В простейшем генераторе рамка вращается в магнитном поле.
• При вращении рамки направление индуцированного тока периодически меняется.
• Чем быстрее вращается рамка, тем чаще меняется направление тока.