ённое по правилу левой руки выталкивание проводов а и б из внешнего магнитного поля (2).
Познакомившись с физической основой электродвигателя, с воздействием магнитного поля на проводник с током, мы тут же, используя великое открытие Фарадея, освоили и обратный процесс: если перемещать проводник в магнитном поле, то в этом проводнике наведётся электродвижущая сила, и он, по сути дела, превратится в источник электрической энергии, в генератор. Правда, от первых фарадеевских опытов до реального генератора ещё далековато — чтобы непрерывно получать от проводника электродвижущую силу, проводник этот нужно двигать тоже непрерывно.
Пытаясь найти решение, пойдём по проторенной дорожке — будем непрерывно вращать проводник в магнитном поле. Для удобства вращать будем сразу два проводника, такую же, как в двигателе, рамку. Наведённую э.д.с. (ток) можно снимать с вращающейся рамки через два знакомых нам полукольца простейшего коллектора с двумя скользящими контактами (Р-55). Мы пытаемся воспроизвести генератор постоянного тока, других генераторов мы пока просто не знаем. Коротко говоря, нам нужно, чтобы в проводах рамки наведённый ток всегда двигался в одну и ту же сторону.
Вспомнив правило правой руки (Р-55.1), обнаружим, что э.д.с., наведённая в обоих проводниках рамки, всегда будет складываться, напоминая последовательное включение двух гальванических элементов. При переходе из верхней полуокружности в нижнюю или из нижней в верхнюю каждый из проводников начнёт пересекать магнитное поле в противоположном направлении, и необходимая нам полярность э.д.с., наведённой в проводниках рамки, изменится на обратную. Именно в этот момент коллектор произведёт необходимые переключения, и полярность напряжения на выходе генератора не изменится, «плюс» и «минус» останутся на тех же скользящих контактах (выводы генератора), на каких и были.
ВК-140.Нахождение спектра — давно отработанная математическая операция. Но можно и «живьём» извлечь из спектра его синусоидальные составляющие, те самые, что вместе создают исходный сложный ток. Извлекают эти составляющие с помощью настроенных на их частоту колебательных контуров, они выделяют синусоидальный ток своей резонансной частоты. Спектр изображают на особом графике в виде вертикальных линий, каждая показывает частоту и амплитуду одной из составляющих спектра.
Наш простейший генератор с вращающейся рамкой выдаёт э.д.с., постоянную по направлению, но изменяющуюся по величине. Это вполне объяснимо — проводники рамки бегут по окружности с одной и той же угловой скоростью, но магнитное поле в разные моменты времени они пересекают с разной скоростью — иногда очень быстро, а иногда вообще не пересекают, как бы скользят вдоль него. Электродвижущая сила, которая при этом наводится в рамке, называется пульсирующая э.д.с. (при включении нагрузки она создаёт пульсирующий ток), и лучшего названия не придумаешь — при каждом обороте рамки генератор выдаёт два всплеска, два импульса э.д.с. (тока) одной и той же полярности. Об этой ситуации мы ещё поговорим подробно, а пока подумаем, какие можно принять меры, чтобы сгладить пульсации э.д.с. и получать от генератора примерно то, что мы всегда получали от батареи, — постоянное напряжение.
Во-первых, во вращающейся части генератора, в его роторе, можно увеличить число рамок и, соответственно, число коллекторных пластин. Уже при двух рамках за каждый оборот ротора произойдёт не два всплеска э.д.с., а четыре, то есть пульсации э.д.с. станут чаще, неприятные перерывы между импульсами станут короче. Во-вторых, для сглаживания пульсаций на выходе генератора можно включить конденсатор. При больших значениях э.д.с. конденсатор будет заряжаться, а когда э.д.с. сильно упадёт, он, разряжаясь, будет подпитывать внешнюю цепь вместо генератора, будет поддерживать на его выходе более высокий уровень напряжения — конденсатор будет сглаживать пульсации. Этот последний пример, несколько забегая вперед, намекает на то, что у схемотехники есть много разных инструментов влияния на электрические процессы.
ВК-141.Настало время поговорить о трансформаторе, об одной из самых распространённых электрических машин. Трансформатор для основных наших электрических цепей (напоминаем: частота 50 герц, напряжение 220 вольт) это замкнутый стальной сердечник, на котором две катушки: первичная обмотка 1 и вторичная 2. По обмотке 1 от генератора идёт переменный ток, и его меняющееся магнитное поле наводит э.д.с. в обмотке 2. С источником постоянного напряжения трансформатор работать не будет.
Т-116. Любой энергетический агрегат, в том числе электрогенератор, сам ничего не создаёт, он лишь преобразует один вид энергии в другой. Чтобы в рамке простейшего генератора наводилась электродвижущая сила, чтобы он оправдывал само это звание «генератор», рамку нужно вращать в магнитном поле. И при этом надо затрачивать заметные усилия, ибо рамка оказывает сопротивление, препятствует её вращению.
Такое сопротивление вполне объяснимо. Электрогенератор, если к нему подключена нагрузка, создаёт определённую электрическую мощность, выполняет определённую работу, например, заставляет светиться лампочки. Мощность Р генератора подсчитывается как обычно: она есть произведение выходного напряжения на ток в цепи (Р-37). Эта мощность не может взяться ниоткуда, электрогенератор — не вечный двигатель. Значит, на создание электрической мощности генератора, то есть в итоге на вращение рамки, надо затратить какие-то усилия, нужно выполнить какую-то работу, которая, по крайней мере, не меньше, чем электрическая энергия, которую выдаёт сам генератор.
Более детально ситуация выглядит так. Потребляемый от генератора ток, естественно, проходит по рамке, а проводники с током, как известно, выталкиваются из магнитного поля. Воспользовавшись правилом левой руки, можно увидеть, что сила выталкивания действует против вращения рамки, которое производится с целью получения э.д.с. Внешнюю силу приходится применять именно для того, чтобы преодолевать такое выталкивание проводника с током из магнитного поля. При этом чем больше потребляемый от генератора ток, тем больше усилий надо, чтобы преодолевать противодействие выталкивающих сил, тем большая посторонняя помощь требуется генератору.
ВК-142. Цифры, полученные в инженерных расчётах, беспощадны. В данном случае они показывают, что при частоте 50 Гц ток меняется медленно. Чтобы при таких изменениях тока получить в трансформаторе сильное меняющееся магнитное поле, проще всего использовать ферромагнитный (например, стальной) сердечник — без него понадобились бы обмотки из многих тысяч витков. При более быстром изменении тока, то есть на высоких частотах, часто используют трансформаторы вообще без сердечников.
В реальных электрогенераторах «рамку» вращают разными способами. Заметим, что слово «рамка» взято в кавычки потому, что здесь это всего лишь образ, в настоящих генераторах вместо рамки имеются сложные системы обмоток, уложенные в стальной сердечник. Такая вращающаяся часть генератора (или двигателя), независимо от её устройства и назначения, так же как у мотора, называется «ротор», от латинского «ротаре» — «вращаться».
Итак, ротор реального генератора вращают разными способами. В автомобиле, например, с помощью приводного ремня вращение передаётся на генератор от основного бензинового двигателя, он очень небольшую часть своей мощности отдаёт для подзарядки аккумулятора и питания бортовых электроприборов. На больших электростанциях ротор электрогенератора жёстко соединяют с валом, как его называют, первичного двигателя — чаще всего это мощная паровая турбина, газовая турбина или гидротурбина. И во всех случаях электрогенератор снабжает нас электрической энергией, превратив в неё механическую работу своего первичного двигателя. Мы ещё поговорим об этом подробнее, а пока предварительный итог: чтобы получить электрическую энергию, нужно много работать. И в широком смысле, и в узком, конкретном — нужно с помощью мощного первичного двигателя вращать ротор электрогенератора, затрачивая другие виды энергии для получения энергии электрической.
Каждый, кто думал об этом, возможно, задавался вопросом: для чего вообще в таком случае нужно электричество? Не проще ли сразу, без посредников использовать энергию сжигаемого на тепловых электростанциях топлива? Или огромную энергию падающей воды, которая крутит турбины гидроэлектростанций? Ответ на эти вопросы за пределами общих размышлений — неумолимые цифры инженерных и экономических расчётов давно доказали огромные достоинства электроэнергетики. Многие из этих достоинств связаны с применением переменного тока, к знакомству с которым мы переходим.
ВК-143.Одна из характеристик трансформатора — коэффициент трансформации k (иногда буква n), показывающий отношение числа витков w2 обмотки 2 к числу витков w1 обмотки 1. Если коэффициент k больше единицы, то трансформатор повышает напряжение, если к меньше единицы, то понижает. Попутно отметим, что во сколько раз повышается напряжение, во столько же раз понижается ток — трансформатор мощности не меняет.
Глава 10Постоянное непостоянство переменного тока
В первых своих попытках создать электрогенератор мы вращали проволочную рамку в магнитном поле и убедились, что в полном соответствии с законами электромагнитной индукции в рамке действительно наводится электродвижущая сила — генератор работает. Однако оказалось, что полярность наведённой э.д.с. дважды в течение одного оборота рамки меняется, и если не принять специальных мер (переключение выводов рамки с помощью коллектора), то на выводах, или, как часто говорят, на зажимах генератора, «плюс» и «минус» дважды в течение каждого оборота рамки будут меняться местами. Таким образом, мы фактически получили бы генератор переменной э.д.с., который, естественно, создавал бы в цепи переменный ток — ток, который периодически меняет своё направление, идет туда-обратно. Приученные батарейкой карманного фонарика к тому, что «плюс» и «минус» никогда своих мест не меняют, что они всегда на одних и тех же зажимах генератора, мы тут же