Как получают переменный электрический ток

Получение переменного тока

Мы с вами узнали, что такое переменный ток, теперь я вам хочу рассказать, как получить переменный синусоидальный ток.

Возьмем проводник, согнутый в виде рамки и будем вращать его в равномерном магнитном поле (рисунок 1). При вращении рамки магнитный поток, охватываемый ею, будет изменяться, следовательно, в рамке возникнет ЭДС индук­ции.

Пусть рамка вращается с равномерной скоростью. Мы уже знаем, что величина ЭДС, индуктированной в рамке, будет тем больше, чем быстрее будет изменяться число маг­нитных силовых линий, охватываемых рамкой, или иначе, чем большее число магнитных силовых линий будут пересекать стороны рамки в единицу времени (например в одну секунду).

Примем за начальное то положение рамки, когда она охва­тывает наибольшее число магнитных силовых линий, т. е. когда плоскость ее перпендикулярна направлению магнитного потока. На рисунке 1 это положение отмечено цифрой 1.

Рисунок 1. Получение синусоидального переменного тока. а – ряд последовательных положений рамки в магнитном поле; б -график переменного тока (синусоида).

В начале вращения рамки ее стороны будут скользить почти вдоль магнитных силовых линий, пересекая очень малое число их, то есть магнитный поток, проходящий через рамку, будет изменяться очень медленно, следовательно, и наводимая этим изменением потока ЭДС индукции будет невелика.

По мере приближения рамки, к положению 2, когда плос­кость ее становится параллельной силовым линиям, количе­ство пересекаемых рамкой силовых линий возрастает (при по­стоянной скорости вращения рамки) а, следовательно, воз­растает и индуктируемая в ней ЭДС.

Когда рамка пройдет положение 2, действующая в рамке ЭДС начнет постепенно убывать и станет равной нулю, когда рамка сделает полоборота (положение 3). Затем ЭДС будет снова возрастать, но уже в обратном направлении, так как теперь стороны рамки будут пересекать магнитные силовые ли­нии в противоположном направлении. В момент, когда рамка займет положение 4, т. е. сделает три четверти оборота, ЭДС будет наибольшей, после чего она начнет снова убывать и сде­лается равной нулю в тот момент, когда рамка завершит пол­ный оборот (положение 5).

При дальнейшем вращении рамки все явления будут по­вторяться в прежнем порядке. Так как ЭДС в рамке непре­рывно изменяется по величине и, кроме того, два раза в тече­ние каждого оборота изменяет свое направление, то и ток, вы­зываемый ею в рамке, будет также изменяться и по величине и по направлению.

Условимся изображать изменение переменной ЭДС, наво­димой в рамке при вращении ее в магнитном поле, таким об­разом, что по горизонтальной прямой линии (оси) слева направо будем откладывать в каком-нибудь масштабе угол поворота рамки или время, протекшее от начала поворота, а вверх и вниз (по вертикали) будем откладывать те ЭДС, которые наводятся в рамке при данном угле ее поворота. Вверх будем откладывать ЭДС одного направления, а вниз— ЭДС другого направления. В результате такого построения получим график изменения ЭДС в зависимости от угла по­ворота рамки или, что то же самое, в зависимости от времени, так как рамка вращается с постоянной скоростью. Кривая эта, изображенная на рисунке 1б, очень часто встречается в электро­технике и носит название синусоиды.

Итак, мы видим, что при равномерном вращении рамки в равномерном магнитном поле в ней индуктируется переменная ЭДС, изменяющаяся по периодическому закону, выражае­мому синусоидой; ЭДС и токи, изменяющиеся по такому за­кону, называются синусоидальными, а весь описанный процес будет иметь название получение переменного синусоидального тока .

Свяжем мысленно с вращающейся рамкой стрелку, укреп­ленную на одной оси с рамкой (рисунок 2а). Направим на вра­щающуюся стрелку пучок параллельных световых лучей так, как это изображено на рисунке 2б, а с другой стороны стрелки поставим экран (например лист бумаги). Электродвижущая сила, индуктируемая в рамке, в каждый данный момент бу­дет пропорциональна длине тени, отбрасываемой стрелкой на экран. Длина тени в начальный момент, когда стрелка нахо­дится в горизонтальном положении, т. е. острием направлена в сторону экрана, будет равна нулю.

Рисунок 2. Модель синусоидального колебания. а -вместе с рамкой вращается стрелка; б -кончик тени от стрелки совершает синусоидальные колебания.

При вращении стрелки в направлении, указанном на рисунке, ее тень начнет удлиняться, вытягиваясь вверх. Сначала удлинение тени будет происходить быстро, но по мере при­ближения стрелки к вертикальному положению оно замедлит­ся и, наконец, совеем прекратится, когда длина тени сделается равной длине стрелки. После этого тень будет укорачиваться, сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее и, наконец, сделается равной нулю в тот момент, когда стрелка, совершив полоборота, займет горизонтальное положение. В то время, когда стрелка будет совершать следующую половину оборота, ее тень совершит такое же удлинение и укорочение, как и прежде, с той лишь разницей, что удлиняться она теперь будет не вверх, а вниз.

При каждом обороте стрелки ее тень будет совершать одно полное колебание.

Колебания тени вращающейся стрелки дают полную карти­ну изменения скорости движения электронов в проводнике при синусоидальном переменном токе. Скорость свободных элек­тронов в проводнике сначала невелика, затем электроны начи­нают двигаться все быстрее и быстрее (сила тока увеличивает­ся). В некоторый момент скорость электронов достигает своей максимальной величины (сила тока максимальна), после чего электроны постепенно замедляют свое движение и, наконец, совсем останавливаются (сила тока равна нулю).

Однако, практически электроны не делают остановки, так как они тотчас же начинают движение в обратном направле­нии (ток изменяет свое направление) с постепенно увеличи­вающейся скоростью (сила тока растет) и т. д.

Начертим окружность, внутри которой наметим несколько положений радиуса, занимаемых им при равномерном движе­нии его конца по окружности. На рисунке 3 показано 24 после­довательных положения радиуса, занимаемых им через каж­дые 15° поворота. Справа от этой окружности проведем гори­зонтальную линию на высоте центра окружности. Разделим горизонтальную координатную ось также на 24 части, каждая из которых будет соответствовать 15° окружности.

Рисунок 3. Построение грфика синусоидального переменного тока. Окружность и горизонтальная ось координат разделены на одинаковое число частей.

Из каждой отмеченной точки на горизонтальной оси прове­дем вертикальную линию, равную проекции радиуса на вертикальный диаметр или длине тени при данном угле поворо­та. Соединим плавной кривой концы всех вертикальных ли­ний. Эта кривая и будет синусоидой.

Вращающийся радиус, употребляемый при построении си­нусоиды, называется радиусом-вектором.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Кто придумал электричество и как его получить

Естественное электричество

Если начать издалека, то очевидно, что электрические разряды встречаются в природе. Первым на ум приходит грозовой разряд – молния. Это связано с тем, что его можно увидеть, он несёт угрозу, и людей с детства учат, как вести себя в грозу.

Краткая физика грозы – наличие разности потенциалов между землей и тучей, либо между тучами. Причем, о том, что суть молнии – это электрический разряд, а не гнев богов, было сказано лишь в 18 веке Бенджамином Франклином. Молнии не есть прерогатива планеты Земля – встречаются они и на других планетах, а значит явление это всеохватывающее, вселенского масштаба.

За долгие века до Франклина, человек, известный как Фалес, вырабатывал электричество между янтарной палочкой и шерстью. Тогда правда он не понимал, что это электроны, так как их открыли позже. Он просто видел, что после трения, мелкие предметы притягивались к палочке. Та самая эбонитовая палочка, с названия которой вы хохотали в школе на уроках физики. Возможно он считал, что это суть явление магнетизма, а не электричества.

Электричество встречается и в живых существах. Например, рыбы: электрические скаты, угри, африканские сомы. Величина напряжения у данных особей может доходить до 600 вольт, а сила тока превышать десятки ампер. Также известны рыбы с электрической локацией (клюворылообразные). У наземных созданий молнии вроде не вырываются, кроме разве мультипликационного Пикачу.

Ну и естественно атомы – ядро, протоны, электроны, нейтроны. Протоны это положительно заряженные частицы, электроны – отрицательно. Упорядоченное движение электронов – это ток. Но ток не течет, так как число протонов уравновешено числом электронов. Если же это равенство нарушается, то вещество имеет заряд. Тоже электричество. Все эти мозговые импульсы, мышечные сокращения, да и статическое электричество в конце-концов.

Всё вышеописанное конечно интересно, но имеет мало практического применения. Не будем же мы заставлять скатов бить разрядом по лампочкам, чтобы у нас был свет.

Как люди приручили электричество

Почему люди вообще пришли к выводу, что электричество может оказаться им полезным? Ведь воду, огонь, землю можно осязать, потрогать – найти применение в общем. А дело всё в светлом уме, который рождался и переходил от одного ученого к другому сквозь эпохи. То есть я хочу сказать, что цепь открытий ученых привела электричество к тому виду, что мы имеем сейчас.

Естественно вначале изобрели ток постоянный, и даже производились попытки его сохранить, для этих целей отлично подходили аналоги конденсаторов. Второй задачей являлось это электроэнергию передать на расстояние. Решить тот же вопрос с освещением. До 18 века с электричеством было так себе, в плане развития. Зато с 18 века понеслось: изобретение Лейденской банки, изучение атмосферного электричества, формулирования закона Кулона, изобретение лампы накаливания, опыты Ампера, Джоуля, Ома, Ленца, Гаусса, открытие электромагнитной индукции и первые образцы электродвигателей и генераторов. В конце 19 века появляются первые электростанции, далее конвейеры, электроника – и темпы растут в миллионы раз быстрее… И технократию уже было не остановить.

Важнейшим же для промышленного применения стало использование трехфазного переменного тока, как наиболее эффективного и экономичного. Здесь стоит упомянуть войну постоянного и переменного токов – противостояние, за которым стояли Никола Тесла и Томас Эдисон для обывателей, а также интересы корпораций для сторонников теорий заговоров. Сейчас же мы знаем, что использование переменного тока более выгодно за счет трансформации величины напряжения, следовательно уменьшения тока в проводнике, и следовательно следовательно – меньшим расходом сечения проводников (тех же лэп, кабелей). Мощность при этом, как произведение тока на напряжение остается одинаковой. Правда, не все так идеально, ведь борьбу с потерями мощности при передаче на длительные расстояния никто не отменял. Но в наш век экономики лидерство за током переменным. Хотя и постоянный широко используется – медицина, химпромышленность, электроника.

Способы получения постоянного тока

• от источника постоянного тока (батарейка, аккумулятор)
• из переменного по мостовой, 1-, 2-х полупериодной схемам) с помощью выпрямительных диодов
• Электрический генератор, на выходе которого форма тока максимально приближена к постоянному
• Солнечная панель, которая преобразует энергию солнца в постоянный электроток
• Способы Николы Теслы
• Из картошки, лимона, уксуса

Способы получения переменного тока

• Вращающиеся электрические машины переменного тока (заставляет их вращаться – пар турбины, напор воды, сила ветра)
• Из постоянного согласно одной из множества схем преобразователей из интернета

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

§ 42. Получение и передача переменного электрического тока. Трансформатор

Рассмотрим ещё раз получение индукционного тока в катушке с помощью перемещения относительно неё постоянного магнита (см. рис. 119, а). Но теперь будем периодически двигать магнит вверх и вниз в течение нескольких секунд. Мы увидим, что при этом стрелка гальванометра отклоняется от нулевого деления то в одну, то в другую сторону. Это говорит о том, что модуль силы индукционного тока в катушке и направление этого тока периодически меняются.

• Электрический ток, периодически меняющийся со временем по модулю и направлению, называется переменным током

В осветительной сети наших домов и во многих отраслях промышленности используется именно переменный ток.

В настоящее время для получения переменного тока используют в основном электромеханические индукционные генераторы, т. е. устройства, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую. Индукционными они называются потому, что их действие основано на явлении электромагнитной индукции.

Генератор переменного тока: а — внешний вид; б — общий вид на электростанции вместе с паровой турбиной, приводящей ротор генератора во вращение

В § 39 рассматривался пример получения индукционного тока в плоском контуре при вращении внутри него магнита (см. рис. 121, б). На этом принципе и работает электромеханический генератор переменного тока. Неподвижная часть генератора, аналогичная контуру, называется статором, а вращающаяся, т. е. магнит, —ротором. В мощных промышленных генераторах вместо постоянного магнита используется электромагнит.

Статор промышленного генератора представляет собой стальную станину цилиндрической формы (станина — это основная несущая часть машины, на которой монтируются различные рабочие узлы, механизмы и пр.). Во внутренней его части прорезаются пазы, в которые витками укладывается толстый медный провод. В витках и индуцируется переменный электрический ток при изменении пронизывающего их магнитного потока.

Магнитное поле создаётся ротором (рис. 131, а). Он представляет собой электромагнит: на стальной сердечник сложной формы надета обмотка, по которой протекает постоянный электрический ток. Ток к этой обмотке подводится через щётки и кольца от постороннего источника постоянного тока.

Рис. 131. Схема генератора переменного тока

На рисунке 131, б приведена схема генератора переменного тока. Штрихами показано примерное расположение линий индукции магнитного поля ротора. При вращении ротора какой-либо внешней механической силой создаваемое им магнитное поле тоже вращается. При этом магнитный поток, пронизывающий витки обмотки статора, периодически меняется, в результате чего в них индуцируется переменный ток.

На тепловых электростанциях ротор генератора вращается с помощью паровой турбины, на гидроэлектростанциях — с помощью водяной турбины.

На рисунке 132, а изображён внешний вид мощного гидрогенератора, а на рисунке 132, б схематично показано его устройство, где цифрой 1 обозначен статор, цифрой 2 — ротор, а цифрой 3 — водяная турбина.

Рис. 132. Внешний вид и устройство мощного гидрогенератора

Ротор гидрогенератора имеет не одну, а несколько пар магнитных полюсов. Чем больше пар полюсов, тем больше частота переменного электрического тока, вырабатываемого генератором при данной скорости вращения ротора. Поскольку скорость вращения водяных турбин обычно невелика, то для создания тока стандартной частоты используют многополюсные роторы.

Стандартная частота переменного тока, применяемого в промышленности и осветительной сети в России и многих других странах, равна 50 Гц. Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз течёт в одну сторону и 50 раз в другую. В некоторых странах (например, США) стандартная частота переменного тока равна 60 Гц.

Современные высоковольтные ЛЭП

Сила тока, вырабатываемого генераторами переменного тока, меняется со временем по гармоническому закону (т. е. по закону синуса или косинуса). На рисунке 133 показан график изменения силы тока i со временем t.

Рис. 133. График зависимости силы переменного тока от времени

Для передачи электроэнергии от электростанций в места её потребления служат линии электропередачи (ЛЭП). Чем дальше от электростанции находится потребитель тока, тем больше энергии Q тратится на нагревание проводов и тем меньше доходит до потребителя:

E_{потребляемая} = E_{генерируемая} – Q

Уменьшение потерь электроэнергии при её передаче от электростанций к потребителям является важной задачей экономики.

Из закона Джоуля—Ленца (Q = I 2 Rt) следует, что уменьшить потери можно за счёт уменьшения сопротивления R проводов и силы тока I в них (что более эффективно, поскольку при уменьшении I в n раз Q уменьшается в n 2 раз).

Сопротивление проводов будет тем меньше, чем больше площадь S их поперечного сечения и чем меньше удельное сопротивление ρ металла, из которого они изготовлены (так как R = ρl/S). Провода делают из меди или алюминия, так как среди относительно недорогих металлов они обладают наименьшим удельным сопротивлением. Увеличивать толщину проводов экономически невыгодно (ввиду увеличения расхода металла) и неудобно (из-за трудностей при их подвеске).

Поэтому существенного снижения потерь Q можно добиться только за счёт уменьшения силы тока I. Но при этом необходимо во столько же раз увеличить получаемое от генератора напряжение U, чтобы не снижать мощность тока Р (так как Р = UI 1 ). Без такого преобразования силы тока и напряжения передача электроэнергии на большие расстояния становится невыгодной из-за существенных потерь.

Решение этой важнейшей технической задачи стало возможным только после изобретения трансформатора — устройства, предназначенного для увеличения или уменьшения переменного напряжения и силы тока.

Павел Николаевич Яблочков (1847—1894)
Русский электротехник и изобретатель. Изобрёл дуговую лампу («свеча Яблочкова»), сконструировал первый генератор переменного тока, трансформатор, сделал изобретения в области электрических машин и химических источников тока

Трансформатор был изобретён в 1876 г. русским учёным Павлом Николаевичем Яблочковым. В основе его работы лежит явление электромагнитной индукции. На рисунке 134, а показан внешний вид трансформатора, а на рисунке 134, б схематично изображены его основные части. Обратите внимание на то, что число витков в обмотках различно: в данном случае N₂ > N₁. Протекающий в первичной обмотке переменный ток создаёт (главным образом в сердечнике) переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле. В результате действия этого поля на концах вторичной обмотки возникает переменное напряжение U₂.

Рис. 134. Внешний вид и схема устройства повышающего трансформатора

Величина U₂ определяется из соотношения:

Значит, при N₂ > N₁ трансформатор будет повышающим (так как U₂ > U₁), а при N₂

Вопросы

1. Какой электрический ток называется переменным? С помощью какого простого опыта его можно получить?
2. Где используют переменный электрический ток?
3. Расскажите об устройстве и принципе действия промышленного генератора.
4. Чем приводится во вращение ротор генератора на тепловой электростанции; на гидроэлектростанции?
5. Почему в гидрогенераторах используют многополюсные роторы?
6. По какому физическому закону можно определить потери электроэнергии в ЛЭП и за счёт чего их можно уменьшить?
7. Для чего при уменьшении силы тока во столько же раз повышают его напряжение перед подачей в ЛЭП?
8. Расскажите об устройстве, принципе действия и применении трансформатора.

Упражнение 39

1. Электростанции России вырабатывают переменный ток частотой 50 Гц. Определите период этого тока.
2. По графику (см. рис. 133) определите период, частоту и амплитуду колебаний силы тока i.

1 V, I — так называемые действующие значения напряжения и силы переменного тока. Они равны соответственно напряжению и силе постоянного тока, выделяющего в проводнике ежесекундно столько же тепла, что и переменный ток. Действующие значения напряжения и силы переменного тока в √2 раз меньше амплитудных.

Школьная Энциклопедия

Nav view search

Навигация

Искать

Переменный электрический ток

Подробности Категория: Электричество и магнетизм Опубликовано 20.03.2015 09:56 Просмотров: 8881

Электрический ток, меняющий свою величину и направление с течением времени, называется переменным током.

Переменный ток, как и постоянный, также является упорядоченным движением заряженных частиц. Но постоянный ток всегда имеет одно направление, от «+» к «-». А переменный ток своё направление постоянно меняет, то есть течёт то в одну, то в другую сторону. Поэтому одно из его направлений условно принимают за положительное, а направление, противоположное ему, считают отрицательным. В зависимости от этого в конкретный момент времени алгебраическая величина тока будет иметь знак «плюс» или знак «минус».

Чтобы ток был переменным, он должен быть подключен к источнику переменной ЭДС. Такими источниками являются генераторы переменного тока – электрические машины, которые преобразуют механическую энергию в электрическую энергию тока.

Периодический переменный ток

Основные параметры переменного тока – период, частота и амплитуда.

Представим, что за какое-то время Т переменный ток пройдёт цикл изменений и вернётся к своему первоначальному значению. Следующий такой же цикл он также пройдёт за такое же время Т. Такой ток называется периодическим переменным током, а величина Т – периодом тока. Это наименьший промежуток времени, через который изменения силы тока и напряжения повторяются. Измеряется период в секундах.

Величина, обратная периоду, называется частотой тока ( f ). Она отображает количество периодов (полных колебаний), которые ток проходит в единицу времени. Измеряется в герцах (Гц).

Переменный ток изменяется с частотой в 1 Гц, если его период равен 1 с.

В России, как и в большинстве стран мира, стандартная частота переменного тока в электротехнике 50 Гц. В США и Канаде – 60 Гц. В Японии же используются оба варианта. В западной части применяется частота 60 Гц, а в восточной – 50 Гц. Так случилось, потому что в 1895 г. для Токио были закуплены генераторы немецкой компании AEG, а немного позже для Осаки – а мериканские генераторы General Electric. Так как приведение этих сетей к единому стандарту оказалось весьма дорогостоящим делом, то всё было оставлено как есть, а между сетями установили четыре преобразователя частоты.

Величину тока в данный момент времени называют мгновенным значением переменного тока. Его максимальное значение называется амплитудой и обозначается I_m .

Синусоидальный ток

Наиболее распространён в электротехнике синусоидальный ток. Это периодический переменный ток, изменяющий по закону синуса:

где i – значение тока в любой момент времени t ;

I_m – мгновенное значение синусоидального тока;

ω = 2π f = 2π f / T , где ω – угловая частота; ψ – начальная фаза переменного синусоидального тока (фаза в момент времени t = 0).

Наибольшее положительное или отрицательное значение переменного тока называют амплитудой.

График переменного синусоидального тока представляет собой синусоиду.

Два синусоидальный тока совпадают по фазе, если они одновременно достигают максимальных и нулевых значений. Если же их фазы различны, то говорят, что токи сдвинуты по фазе.

Наиболее широко в электротехнике применяется трёхфазный ток. Трёхфазная система состоит из трёх однофазных электрических цепей. Электродвижущие силы, действующие в каждой из них, имеют одинаковую частоту, но сдвинуты по фазе относительно друг друга на 120 0 .

В электротехнике однофазную электрическую цепь, входящую в состав многофазовой цепи называют фазой. Если все фазы электрически соединены между собой, то такую систему называют электрически связанной. Фазы в трёхфазной системе могут соединяться «треугольником», «звездой с нейтральным проводом» и «звездой без нейтрального провода».

Если мы сложим все мгновенные значения (положительные и отрицательные) переменного синусоидального тока за период, то получим алгебраическую сумму, равную нулю. Но в таком случае и среднее значение тока также равно нулю. Следовательно, это значение нельзя использовать для измерения синусоидального тока.

Как же определить величину переменного синусоидального тока?

Переменный синусоидальный ток, как и постоянный, обладает тепловым действием. Сравнив его тепловое действие с тепловым действием постоянного тока, можно судить о его величине.

Согласно закону Джоуля-Ленца количество теплоты Q , выделяемое на участке электрической цепи за время t при прохождении тока, определяется следующей формулой:

где I – величина тока; R – электрическое сопротивление.

Если два тока, постоянный и переменный, протекая через одинаковые по величине сопротивления, за одинаковое время выделяют одинаковое количество тепла, то они считаются эквивалентными по тепловому действию.

Величина постоянного тока, который произвёл такое же количество теплоты, что и переменный ток за такое же время, называется действующим значением переменного синусоидального тока.

Величина действующего значения синусоидального тока связана с его амплитудой соотношением:

Передача переменного тока

Промышленный переменный ток вырабатывается электростанциями. К потребителям он поступает по линиям электропередач (ЛЭП). Поскольку ЛЭП имеют большую протяжённость, то потери энергии при нагревании проводов довольно велики. Чтобы уменьшить тепловые потери, уменьшают силу тока. Для этого с помощью трансформатора повышают электрическое напряжение в сети до нескольких сот тысяч вольт. К примеру, самая высоковольтная в мире ЛЭП Экибастуз-Кокшетау рассчитана на напряжение 1150 кВ (1 миллион 450 тысяч вольт). Работает под напряжением 500 кВ. В конечной точке ЛЭП напряжение понижается до нужного потребителю значения.

«Война токов»

Томас Алва Эдисон

Какой ток лучше, постоянный или переменный? Споры на эту тему начались в 80-х годах XIX века и превратились в «войну токов», начало которой было положено двумя великими людьми – американским изобретателем Томасом Эдисоном и сербом по происхождению, инженером и физиком Никола Тесла.

Основанная Эдисоном в 1878 г. компания « Edison Electric Light » занималась строительством электростанций постоянного тока. На постоянном токе в то время работали лампочки накаливания, электродвигатели и счётчики электроэнергии. Других приборов, нуждавшихся в токе, на тот момент не существовало. Для передачи электроэнергии использовалась разработанная Эдисоном «технология трёх проводов». В 1887 г. в США по системе Эдисона работало более 100 электростанций постоянного тока. Но расстояние, на которое удавалось передавать электричество, не превышало 1,5 км.

Основным противником Эдисона в «войне токов» в то время был Джордж Вестингауз, изобретатель и промышленник, хорошо разбиравшийся в физике и считающий переменный ток более перспективным. В 1885 г. он приобрёл несколько трансформаторов, созданных в 1881 г. французом Люсьеном Голаром и англичанином Джоном Гиббсом, и генератор переменного тока фирмы «Siemens & Halske». И в 1886 г. в штате Массачусетс начала работу первая гидроэлектростанция переменного тока.

В 1882 г. Тесла изобрёл многофазный электродвигатель, а в 1888 г. – счётчик переменного тока, отсутствие которого ранее было одним из препятствий в развитии технологий переменного тока. В том же году Вестингауз приглашает его к себе на работу. Изобретённые Тесла трансформаторы давали возможность получать любое напряжение. А это позволяло передавать переменный ток на большие расстояния. Казалось бы, ничто уже не могло помешать созданию сетей переменного тока. Но Эдисон прибегнул к чёрному пиару, спонсировав разработку электрического стула для казни и предложив использовать переменный ток для этой цели. Журналисты красочно описали мучения, которые испытывал осуждённый в момент казни. Общество получило отрицательный сигнал, и переменный ток некоторое время не использовали.

И всё-таки Тесла оказался победителем. Компания Вестингауза выиграла тендер на строительство первой в США гидроэлектростанции переменного тока на Ниагаре.

До 1928 г. обе технологии существовали параллельно. Но постоянный ток постепенно уступал свои позиции переменному. В Европе это произошло быстрее. Последними перешли на переменный ток в 40-60-х годах XX века потребители скандинавских стран. В США окончательный перевод электрических сетей с постоянного тока на переменный произошёл в конце 2007 г. Так закончилась длившаяся более 100 лет «война токов».

Но это совершенно не означает, что в настоящее время постоянный ток не используется в электроэнергетике. Конечно, подавляющее большинство ЛЭП транспортируют переменный ток. Но наряду с линиями электропередач переменного тока существуют высоковольтные ЛЭП постоянного тока, спообные передавать ток на большие расстояния, например, ЛЭП Экибастуз – Центр, Южная Корея (материк) – остров Чеджудо и др.

Глава восьмая. Однофазный переменный ток

§ 57. Получение переменного тока

В начальной стадии развития электротехники применяли исключительно постоянный ток. В настоящее время преимущественное распространение получил переменный ток.

Постоянный ток, необходимый в промышленности на электрифицированном транспорте, в электросвязи и т. д., в большинстве случаев получают путем выпрямления переменного тока. Преимуществами переменного тока являются: возможность трансформации и передачи на далекие расстояния, более простое устройство генераторов переменного тока, более простые в устройстве и надежные в эксплуатации электродвигатели переменного тока и т. д.

Рассмотрим принцип получения переменного тока в результате преобразования механической энергии в электрическую.

Пусть имеется однородное магнитное поле, образованное между полюсами N – S электромагнита (рис. 120, а). Внутри поля под действием посторонней силы вращается по окружности в сторону движения часовой стрелки металлический прямолинейный проводник. Как известно, пересечение проводником магнитных линий приведет к появлению в проводнике индуктированной э.д.с. Величина этой э.д.с., как было указано ранее, зависит от величины магнитной индукции В, активной длины проводника l, скорости пересечения проводником магнитных линий υ и синуса угла α между направлением движения проводника и направлением магнитного поля:

Рис. 120. Получение переменной э.д.с.: а – вращение проводника в однородном магнитном поле, б – график изменения переменной э.д.с

Разложим окружную скорость υ на две составляющие – нормальную и тангенциальную по отношению к направлению магнитной индукции В, как было показано в § 45. Нормальная составляющая скорости υ_n обусловливает наводимую э.д.с. индукции и равна

Тангенциальная составляющая скорости υ_t не принимает участия в создании индуктированной э.д.с. и равна

при α = 90° нормальная составляющая скорости

т. е. в этом случае нормальная составляющая скорости имеет максимальное значение. Такое же значение имеет в этот момент величина индуктированной э.д.с. в проводнике

откуда общее выражение для э.д.с. в проводнике будет

При движении проводник будет занимать различные положения. На чертеже положения проводника даны через каждые 45° угла поворота. Рассматривая отдельные положения проводника, мы видим, что угол пересечения а меняется и, кроме того, при переходе проводника через нейтральную линию направление индуктированной э.д.с., определяемое по правилу правой руки, также меняется.

За один полный оборот проводника э.д.с. в нем сначала увеличивается от нуля до максимального значения (+Е_м), затем уменьшается до нуля и, изменив свое направление, вновь увеличивается до максимального значения (-E_м) и вновь уменьшается до нуля. При дальнейшем движении проводника указанные изменения э.д.с. будут повторяться.

Для наглядного представления о ходе изменения индуктированной э.д.с. в проводнике воспользуемся графическим методом. Проведем две взаимно перпендикулярные оси (рис. 120, б). На горизонтальной оси в одном масштабе отложим углы поворота проводника, а на вертикальной в другом масштабе – величину э.д.с., индуктированную в проводнике в каждый момент времени. Если э.д.с., индуктированную в проводнике при прохождении его под южным полюсом, считать положительной и откладывать от горизонтальной оси вверх, то э.д.с., индуктированную в проводнике при прохождении его под северным полюсом, следует считать отрицательной и откладывать от горизонтальной оси вниз. Проведя затем через концы отрезков, изображающих в масштабе величины э.д.с., непрерывную линию, получим кривую, называемую синусоидой. При помощи кривой мы можем легко определить величину э.д.с. в любой момент времени. Для этого на горизонтальной оси откладываем интересующий нас угол поворота проводника от начального положения. Затем от этой точки восставляем перпендикуляр. Отрезок, заключенный между точками пересечения перпендикуляра с кривой и горизонтальной осью, будет в масштабе выражать величину индуктированной э.д.с. в проводнике в этот момент времени.

В нашем примере проводник вращался в однородном магнитном поле. В проводнике индуктировалась переменная э.д.с., изменяющаяся по закону синуса. Такая э.д.с. называется синусоидальной.

В дальнейшем мы увидим, что электротехника предпочитает пользоваться переменными величинами, изменяющимися по синусоидальному закону.

Устройство, показанное на рис. 121, позволяет снимать и отводить во внешнюю цепь переменную э.д.с. Согнутый в виде рамки проводник вращается в магнитном поле с постоянной скоростью со под действием посторонней силы. Концы рамки присоединены к двум медным кольцам 3 и 4, на которых наложены две угольные щетки 5 и 6. Во внешней цепи будет протекать изменяющийся по величине и направлению ток. Такой ток называется переменным в отличие от постоянного, который дают гальванические элементы и аккумуляторы. Переменный ток на электрических схемах принято обозначать условным знаком ∼.

Рис. 121. Устройство для отвода переменного тока от ротора генератора

В создании индуктированной э.д.с. будут участвовать не все стороны рамки, а лишь те, которые пересекают магнитные линии. Эти стороны называются активными сторонами (на рис. 121 они обозначены цифрами 1 и 2).

Недостатком рассмотренного выше устройства является трудность создания однородного магнитного поля и большое магнитное сопротивление магнитному потоку, который значительный путь проходит по воздуху.

В конструкциях электрических машин между полюсами электромагнита помещают стальной барабан, в пазы которого укладывают проводники обмотки. Такая конструкция машины представлена на рис. 122. Магнитным линиям в этом случае приходится проходить по воздуху короткий путь между сталью полюсов и барабана. Магнитные линии, проходя воздушный промежуток, будут входить в барабан в радиальном направлении и в таком же направлении будут выходить из него, чтобы попасть в другой полюс. В этом случае направление окружной скорости в каждый момент перпендикулярно направлению магнитных линий, т. е. скорость будет все время υ = υ_n, ∠α = 90°.

Рис. 122. Магнитный поток машины при наличии стального барабана

Для получения индуктированной э.д.с. в генераторах безразлично, будет ли движущийся проводник пересекать неподвижное магнитное поле или движущееся поле будет пересекать неподвижный проводник. В рассмотренной конструкции обмотка, где индуктировалась переменная э.д.с., размещалась на вращающейся части машины – роторе, а полюса располагались на неподвижной части машины – статоре. Однако для того чтобы поставить якорную обмотку переменного тока в более благоприятные условия, ее обычно располагают на статоре, а обмотку возбуждения полюсов помещают на роторе * . Генератор такой конструкции представлен на рис. 123.

* ( Обмотки переменного тока в современных генераторах рассчитываются на высокие напряжения и на весьма значительные токи. Неподвижную якорную обмотку легче изолировать и от нее проще отвести значительный ток во внешнюю цепь.)

Рис. 123. Двухполюсный генератор переменного тока: 1 – статор, 2 – часть обмотки переменного тока, 3 – ротор, 4 – обмотка возбуждения

Постоянный ток, необходимый для создания магнитного потока машины, подается в обмотку возбуждения от специального генератора-возбудителя постоянного тока, сидящего на одном валу с генератором переменного тока, или от выпрямительного устройства.

Стремление получить синусоидальную э.д.с. заставляет конструктора машины переменного тока придать такую форму полюсным наконечникам, при которой магнитная индукция (плотность магнитных линий) в воздушном зазоре изменялась бы по закону синуса:

где В_м – максимальная магнитная индукция в воздушном зазоре при α = 90°, т. е.

В этот момент э.д.с., индуктированная в проводнике, также имеет максимальное значение:

откуда общее выражение для э.д.с. в проводнике будет