нашли способ сохранить неизменную полярность — подключили рамку к выводам генератора через переключатель, вращающийся вместе с ней, через коллектор. Но, решив задачу, есть смысл осмотреться и увидеть, что вся электроэнергетика — это в основном энергетика переменного тока. И что, столь долго путешествуя по электрическому миру, пора обратить внимание и на него.
Т-117. Если в магнитном поле равномерно вращать проводник, то в нём наведётся переменная синусоидальная э.д.с. Настал момент более внимательно всмотреться в проводник, который вращается в магнитном поле, понаблюдать, как меняется наведённая в нём электродвижущая сила (Р-56). Для начала вспомним, что наведённая э.д.с. зависит от скорости движения проводника. Но речь идёт не о движении вообще, куда угодно. Наведённая в проводнике э.д.с. зависит от того, с какой скоростью проводник пересекает магнитное поле, с какой скоростью он движется перпендикулярно полю, перпендикулярно направлению, в котором в этом поле установилась бы пробная магнитная стрелка. Для начала посмотрим на простейшую модель машинного электрогенератора переменной э.д.с., где она наводится в рамке и снимается с двух вращающихся металлических колец с помощью двух скользящих контактов. Процесс наведения этой э.д.с. очень прост и в то же время очень важен, поэтому мы сейчас разберём его подробно, как говорится, раз и навсегда.
Когда провода a и b рамки проходят в районе полюсов внешнего (статорного) магнита, в них наводится максимальная электродвижущая сила. И совсем не потому, что провода a и b находятся вблизи от полюсов внешнего магнита, это здесь ни при чём. Напряжение возрастает потому, что, двигаясь по своему круговому маршруту, оба провода a и b рамки именно в районе полюсов с наибольшей скоростью пересекают магнитное поле. А двигаясь в районе проходящей через центр (через ось генератора) условной горизонтальной линии, провода a и b (при неизменной скорости движения по кругу!) практически не пересекают магнитное поле, двигаются вдоль условных магнитных линий, соединяющих северный полюс внешнего магнита с южным. Естественно, что в этом районе наведённая э.д.с. очень мала и в какой-то момент даже равна нулю.
Зато, проходя мимо названной выше горизонтальной линии, провода рамки участвуют в очень интересном и важном событии. Не прекращая своего равномерного движения по кругу, провода а и Ъ рамки резко меняют направление, в котором они пересекали магнитное поле. Так, например, проходя верхнюю часть своего кругового пути, провод а пересекал магнитное поле, двигаясь справа налево. А пройдя горизонтальную линию и продолжая двигаться по своей круговой трассе, провод а будет пересекать магнитное поле в направлении слева направо. Аналогично провод, который вначале двигался в нижней части круга слева направо, пересечёт горизонтальную линию в правой её части и будет перемещаться по верхней части своего кругового маршрута справа налево. При этом согласно правилу правой руки изменится полярность напряжения, наведённого в каждом из проводников. А значит, два раза за время одного оборота рамки меняется полярность генератора. Если к нему подключить нагрузку, то по ней пойдёт переменный ток.
О том, как меняется наведённая э.д.с. при вращении проводника в магнитном поле, лучше всего рассказывает график (Р-57).
ВК-144. К потребителю трёхфазный ток чаще всего поступает с трансформатора, вторичная обмотка которого соединена звездой. К разным участкам сети, например к разным подъездам, подводят разные фазовые напряжения Uф. К мощным аппаратам можно подвести более высокое линейное напряжение Uл или при необходимости все три фазы Uф1, Uф2 и Uфз. При соединении выходных обмоток трансформатора треугольником таких возможностей выбора нет. Всё это относится и к соединению обмоток генератора.
Р-52. ДВИГАТЕЛЬ НОРМАЛЬНО РАБОТАЕТ, ЕСЛИ НЕСКОЛЬКО ИЗМЕНИТЬ СИСТЕМУ СКОЛЬЗЯЩИХ КОНТАКТОВ. Нам нужно, чтобы потребляющая от батареи ток рамка (упрощённый ротор двигателя) двигалась по кругу, всегда получая поддержку внешнего магнитного поля. Одно из самых простых решений проблемы — нужно каждые пол-оборота менять направление тока в проводах рамки. И тогда, хоть на миллиметр проскочив по инерции среднее положение, рамка будет опять выталкиваться из внешнего магнитного поля в сторону своего вращения. Для того чтобы произвести такое переключение проводов, проще всего заменить контактные кольца системы скользящих контактов контактными полукольцами (1), одно из которых соединено с началом рамки (провод а), а другое — с её концом (провод Ь). К одному из этих полуколец прижат скользящий контакт «плюса» батареи, к другому полукольцу так же подключён её «минус». Но через половину оборота скользящие контакты (то есть выводы батареи) окажутся подключёнными к другим полукольцам, и направление тока в рамке изменится (2). Теперь, согласно правилу левой руки, внешнее магнитное поле будет двигать провода рамки, поддерживая её вращение.
Т-118. График — особый рисунок, наглядно демонстрирующий, как одна какая-либо величина зависит от другой. О необходимости знать язык графиков было сказано в самом начале (Т-7), и откладывать это знакомство дальше уже невозможно. Основа графика — две взаимно перпендикулярные линии, две, как их называют, оси — вертикальная и горизонтальная. По вертикальной оси в определённом масштабе откладывают ту величину, об изменениях которой мы хотим рассказать. А по горизонтальной оси в своём определённом масштабе откладывают ту величину, от которой зависит первая величина, то есть та, которая отмеряется по вертикальной оси. «В определённом масштабе» означает, что если, например, отмеряется масса, то 1 мм на какой-либо оси (вертикальной либо горизонтальной) соответствует 1 г (одному грамму) или 1 кг, как мы условимся. Если отмеряется температура, то 1 мм — это уже может быть 1 градус, если ток, то 1 А, если напряжение — 1 В. Иногда оси называют латинскими буквами «икс» и «игрек»: горизонтальная — ось х, вертикальная — ось у. Отсчёт ведётся от точки пересечения осей, то есть от точки 0.
У языка графиков в ещё большей мере проявляется достоинство, которое характерно для языка формул: одного взгляда на график достаточно, чтобы почувствовать зависимость, о которой он рассказывает. Попробуйте сами построить график, иллюстрирующий, например, закон Ома: зависимость тока I в простейшей цепи с одним резистором R (ток откладывается по вертикальной оси у) от электродвижущей силы Е или (и) сопротивления цепи R (они откладываются по горизонтальной оси х). Для начала задайтесь постоянной величиной э.д.с., например 20 В, и начинайте увеличивать R, например от
ВК-145.Уже пару раз отмечалось, что трансформатор, в зависимости от соотношения числа витков в обмотках, повышает или понижает ток и напряжение, но мощности никогда не меняет — сколько её поступило на вход в первичную обмотку, примерно столько же (немножко меньше из-за потерь энергии) будет на выходе во вторичной обмотке. Мы повторяем этот очевидный факт ввиду его исключительной важности. И еще потому, что его очень несложно запомнить, но он почему-то очень часто забывается.
Р-53. В РАЗНЫЕ ВРЕМЕНА ЧЕЛОВЕЧЕСТВО ОТКРЫЛО ТРИ РАЗНЫХ ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА. Природа не делала секретов из электромагнетизма, и миллионы лет человек видел полыхающие на грозовом небе молнии. Но никто, конечно, в те далёкие времена не знал природу этих грозных небесных спектаклей и не связывал их с находками на самой земле. Четыре-пять тысяч лет назад люди обнаружили камни, притягивающие гвозди и другие железные предметы. Камни эти (железную руду с магнитными свойствами) назвали магнитом, говорят, по имени жившего на острове Крит пастуха Магнеса, который нашёл и показал землякам эти камни. По другой версии название появилось по имени горы Магнезия на том же Крите, возле которой существуют залежи железной руды с магнитными свойствами.
С электричеством дело оказалось похуже. На земле не было песков или вод, которые имели бы готовые электрические свойства, как некоторые железные руды имеют магнитные. Ходили слухи о том, что философ Фалес из греческого города Милет (на территории нынешней Турции) ещё около трёх тысяч лет назад знал, как натирание янтаря создаёт у него некоторые особые свойства, благодаря которым янтарь притягивает лёгкие предметы — клочки шёлка, пёрышки и пушинки. Только триста лет назад этим свойствам дали имя «электричество» от латинского слова «электрон» — «янтарь».
Совершенно новые возможности появились в 1800 году, когда Алессандро Вольта представил миру созданный им химический генератор электричества, как его потом называли «Вольтов столб» (2) — два металлических электрода, погружённых в жидкий или пастообразный электролит. Химические реакции между электролитом и электродами приводили к тому, что на одном из них появлялся избыток положительных зарядов («плюс»), а на другом — избыток электронов («минус»). С помощью Вольтова столба за несколько десятилетий было сделано много открытий — от законов постоянного тока до электромагнитной индукции (3), которая в дальнейшем сама стала источником электричества. Через 30 с лишним лет после появления Вольтова столба Майкл Фарадей обнаружил, что в проводнике, который находится в меняющемся магнитном поле, наводится электродвижущая сила. Но прошло несколько десятилетий, пока это открытие превратилось в действующие машины, снабжающие электричеством сначала отдельные дома, а затем большие города и целые страны.
одного ома, каждый раз на один ом. Подсчитанную величину тока сразу же отмечайте на графике, поставив в нужном месте точку. Затем соедините эти точки, и вы получите убывающую кривую, которая покажет, как уменьшается ток в цепи, если возрастает её сопротивление. Сначала с каждым дополнительным омом убывает быстро, а затем всё медленнее. Это типичный график для обратной пропорциональной зависимости: чем больше