"Физика (углублённый уровень)", Кабардин О.Ф., Орлов В.А., Эвенчик Э.Е. и др. / Под ред. Пинского А.А., Кабардина О.Ф.
Электрический генератор постоянного тока преобразует механическую энергию вращения в электрическую энергию, направленную во внешней цепи в одну сторону. Его работа основана на электромагнитной индукции: вращающаяся обмотка пересекает линии магнитного поля, и в ней возникает ЭДС. Коллектор переключает соединения обмотки, а щётки передают ток неподвижной внешней цепи. В простейшем генераторе ток постоянный по направлению, но пульсирующий по величине.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический генератор постоянного тока — устройство, преобразующее механическую энергию вращения в электрическую энергию постоянного направления тока. Внутри него проводники движутся в магнитном поле, поэтому возникает ЭДС. Генератор нужен, чтобы получать электрическую энергию от вращения турбины, двигателя или другого механического привода.
Коллектор — разрезное кольцо, автоматически переключающее соединение рамки с внешней цепью через каждые пол-оборота. Он не создаёт ЭДС, а только меняет подключение концов обмотки. Благодаря этому во внешней цепи ток всё время направлен одинаково.
Щётки — неподвижные проводящие контакты, снимающие ток с коллектора и передающие его во внешнюю цепь. Коллектор вращается вместе с якорем, а щётки остаются на месте и скользят по его поверхности. Так обеспечивается соединение вращающейся обмотки с неподвижным потребителем.
Электродвижущая сила индукции — работа сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда в цепи генератора. Она обозначается ℰ и измеряется в вольтах. В генераторе эту работу обеспечивает действие магнитного поля на заряды движущихся проводников.
Основой работы генератора служит электромагнитная индукция. Когда проводящая рамка вращается между полюсами магнита, меняется магнитный поток через её площадь: проводники по-разному пересекают линии магнитного поля. Изменение потока означает появление индукционной ЭДС, поэтому генератор может передавать энергию во внешнюю цепь.
Причина возникновения ЭДС связана с действием силы Лоренца. На свободный заряд в движущемся проводнике действует магнитная составляющая этой силы, направленная поперёк движения заряда и проводника. Заряды разделяются, между участками проводника возникает разность потенциалов, а при замкнутой цепи появляется индукционный ток.
За один полуоборот направление движения каждой стороны рамки относительно магнитного поля меняется. Поэтому ЭДС в рамке меняет знак: сначала ток внутри неё течёт в одну сторону, затем в противоположную. Если бы рамку подключили к внешней цепи напрямую, ток снаружи тоже был бы переменным.
Коллектор поворачивается вместе с рамкой и в тот же момент переключает её выводы. После каждого полуоборота внешняя цепь снова соединяется с теми сторонами обмотки, где ток имеет нужное направление. Поэтому смена направления тока в самой рамке компенсируется переключением контактов, а во внешней цепи сохраняется постоянное направление.
Магнитная система создаёт рабочее поле, якорь с обмоткой вращается и преобразует механическую энергию в электрическую, коллектор выпрямляет подключение, а щётки передают ток нагрузке. В одной секции обмотки напряжение после выпрямления меняется от нуля до максимума и обратно. Несколько секций, расположенных под разными углами, перекрывают провалы друг друга, поэтому выходное напряжение становится более ровным.
| Часть или характеристика | Что происходит | Назначение и результат |
|---|---|---|
| Магнитная система | Создаёт магнитное поле в рабочем зазоре | Обеспечивает действие силы Лоренца на проводники |
| Якорь с обмоткой | Вращается в магнитном поле, в проводниках возникает индукционная ЭДС | Преобразует механическую энергию в электрическую |
| Коллектор | Переключает соединение секций обмотки через каждые пол-оборота | Сохраняет постоянное направление тока во внешней цепи |
| Щётки | Скользят по коллектору и отводят ток | Соединяют вращающуюся обмотку с неподвижной внешней цепью |
| Внешняя цепь | Получает ток и потребляет электрическую энергию | Обеспечивает работу подключённого устройства |
| Форма выходного напряжения | После выпрямления направление не меняется, но величина может периодически изменяться | Возникает пульсирующий постоянный ток |
Сначала проследите путь энергии: магнитная система создаёт поле, якорь получает механическое вращение, а внешняя цепь принимает электрическую энергию. Затем отдельно проверьте роль коллектора и щёток: первый переключает соединения, вторые обеспечивают контакт. Последняя строка напоминает, что постоянное направление тока не означает постоянную величину напряжения.
Нужно определить направление тока в стороне вращающейся рамки, если известны направление магнитного поля и движение проводника. Числовых данных здесь нет, поэтому главное — правильно установить направление силы, действующей на положительные заряды. После этого нужно различать ток внутри рамки и ток во внешней цепи.
Ответ: направление тока находят по правилу левой руки или Ленца, а для внешней цепи дополнительно учитывают коллектор. Без учёта коллектора можно получить правильный ответ для рамки, но ошибиться в направлении тока во внешней цепи.
Рамка имеет площадь S = 0,02 м², число витков N = 100, находится в поле B = 0,5 Тл и вращается с угловой скоростью ω = 20 рад/с. Требуется найти максимальную ЭДС индукции. Для многовитковой рамки используем формулу Eₘₐₓ = NBSω, потому что вклад каждого витка складывается.
Ответ: максимальная ЭДС индукции равна 20 В. Если забыть множитель N, получится результат для одного витка — в 100 раз меньше настоящего значения обмотки.
ЭДС генератора ℰ = 20 В, его внутреннее сопротивление r = 2 Ом, сопротивление нагрузки R = 8 Ом. Генератор вместе с нагрузкой образует полную цепь, поэтому ток определяется не только внешним сопротивлением. Нужно найти ток, напряжение на нагрузке и её мощность.
Ответ: ток в цепи равен 2 А, напряжение на нагрузке — 16 В, мощность нагрузки — 32 Вт. Часть ЭДС теряется на внутреннем сопротивлении генератора: падение напряжения внутри источника составляет Ir = 4 В.
Ток генератора называют постоянным в смысле неизменной величины. Так часто делают, потому что в быту слово постоянный противопоставляют переменному. Проверьте себя: постоянным у простейшего генератора является направление, а величина обычно пульсирует.
Считают, что коллектор создаёт ЭДС. Ошибка возникает из-за того, что после его работы напряжение во внешней цепи становится однонаправленным. Проверьте рассуждение: ЭДС появляется из-за движения проводника в магнитном поле, а коллектор лишь переключает соединения.
Забывают число витков при вычислении максимальной ЭДС. Это происходит, когда формулу для одного проводника переносят на всю обмотку без учёта сложения вкладов витков. Перед расчётом проверьте, указано ли N, и используйте Eₘₐₓ = NBSω.
Путают ток в рамке с током во внешней цепи. Причина в том, что после полуоборота направление тока в рамке меняется, а подключение её секций коллектор тоже меняет. Для проверки отдельно определите ток в проводнике, затем проследите, как его соединяют щётки с нагрузкой.
Для понимания генератора нужны электромагнитная индукция, магнитный поток, сила Лоренца и правило Ленца. Они объясняют, почему при вращении проводников возникает ЭДС и как определить её направление.
Расчёты генератора опираются на закон Ома для полной цепи, понятие ЭДС источника и формулы мощности электрического тока. Эти знания позволяют учитывать внутреннее сопротивление и находить энергию, переданную нагрузке.
Принцип генератора связан с электродвигателем: двигатель превращает электрическую энергию в механическую, а генератор выполняет обратное преобразование. Та же идея используется на электростанциях, в трансформаторах и системах получения электрической энергии.
Почему генератор называют генератором постоянного тока, если ЭДС в рамке меняет направление?
ЭДС в самой вращающейся рамке действительно меняет направление после каждого полуоборота. Коллектор одновременно переключает соединение рамки с внешней цепью, поэтому во внешней цепи ток сохраняет одно направление.
Зачем генератору нужен коллектор?
Коллектор через каждые пол-оборота меняет местами выводы вращающейся обмотки. Благодаря этому переменная по направлению ЭДС рамки превращается во внешней цепи в ЭДС постоянного направления.
Чем генератор постоянного тока отличается от генератора переменного тока?
В генераторе постоянного тока коллектор выпрямляет ток для внешней цепи. В генераторе переменного тока используются контактные кольца, поэтому направление и полярность выходного напряжения периодически меняются.
Почему ток на выходе простейшего генератора пульсирует?
При вращении рамки угол между проводниками и магнитным полем постоянно изменяется, поэтому меняется и величина ЭДС. Коллектор устраняет смену направления, но не делает величину ЭДС неизменной.
Куда расходуется механическая энергия при подключении нагрузки?
Часть механической энергии превращается в электрическую и передаётся нагрузке. Остальная часть расходуется на нагрев обмотки и сопротивление механическим потерям, например трению.
§ 63. Электрический генератор постоянного тока
