Принцип получения переменной ЭДС

Пусть в однородном магнитном поле постоян­ного магнита равномерно вращается рамка (рис. 2.1), активные стороны которой перпендикулярны чертежу и пересекающие линии магнитной индукции с некоторой линейной скоростью v по часовой стрелке. При этом в сторонах а и в рамки наводится ЭДС противоположной полярности. При пересечении линии между точками А и В в сторонах рамки полярность меняется на противоположную.

 

Рис. 2. 1

 

Время Т одного полного изменения ЭДС (это вре­мя одного оборота рамки) называют периодом ЭДС. Изменение ЭДС со временем может быть изображено на временной диаграмме (рис. 2.2). Магнитный поток Ф через рамку будет равен:

Ф = В S cos α,                                                                                 2. 1

 

где В – вектор магнитной индукции;

S – площадь активной части рамки;

сos α – угол между нормалью к рамке n и вектором магнитной индукции.

Для исчерпывающего определения синусоиды дос­таточно указать ее амплитуду, период и начальную фазу. Рекомендуем читателю самостоятельно построить две-три синусоиды с разными начальными фазами.

 

Рис. 2. 2

Необходимость определения начальной фазы. Необхо­димость определения начальной фазы вытекает из следующего простого примера.

Представьте себе два последовательно включенных ге­нератора, частоты и амплитуды ЭДС которых одинаковы. Спрашивается: можно ли заранее определить, сум­марное напряжение в каждый момент времени? Очевидно, что нельзя.

Согласное включение двух генераторов. Если генерато­ры имеют одинаковую начальную фазу, то кривые напря­жения (синусоиды в данном случае) для каждого генератора, изображенные на одном и том же чертеже и в оди­наковом масштабе, совпадут. Следовательно, общее (суммарное) напряжение обоих генераторов будет всегда вдвое больше напряжения каж­дого генератора в отдельности. Обычно такое включение генераторов называют соглас­ным.

Встречное включение двух генераторов. Предположим, что один генератор имеет начальную фазу, равную нулю, а другой – равную 180°, т. е. величина напряжения пер­вого генератора в любой момент времени имеет то же зна­чение, что и величина напряжения второго, од­нако знаки напряжений («+» или «-») не будут совпа­дать.

В момент времени, когда напряжение первого генера­тора положительно, напряжение второго генератора отри­цательно, и наоборот.

Учитывая, что напряжения складываются алгебраиче­ски, приходим к выводу, что результирующее напряжение в каждый момент времени равно нулю. Заметим, что если фазы генераторов отличаются на 180°, то иногда говорят, что генераторы работают в противофазе или соединены встречно.

Сдвиг фазы. Очевидно, что две синусоиды, имеющие раз­ные начальные фазы, как бы сдвинуты одна относительно другой по горизонтали. Поэтому разность начальных фаз двух синусоид и называют обычно сдвигом фазы.

На рис. 2.3 показано простейшее устройство для полу­чения переменного тока. По катушке проходит постоянный ток, и, следовательно, магнитное поле также постоянно. Стальной сердечник придает магнитным линиям желательную форму: между полюсами получается приблизительно однородное поле. В этом поле равномерно вращается прямоугольная рамка. Концы рамки соединены при помощи скользящих контактов с вольтметром.

Как уже сказано, магнитный поток, созданный катушкой, является постоянным. Но та его доля, которая сцепле­на с вращающейся рамкой, будет неодинакова в разные моменты времени.

Изменение величины магнитного потока, пронизывающего виток, происходит непрерывно, хотя поток, создавае­мый электромагнитом, остается неизменным. Следовательно, в рамке будет наводиться ЭДС. И действительно, опыт показывает, что стрелка вольтметра отклоняется.

 

Рис. 2. 3. Получение переменного тока

Стрелка вольтметра поперемен­но отклоняется вправо и влево от нулевого положения.

Поскольку при вращении рамки пересекающий ее магнитный поток все время меняется, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС индукции. Если период измеряется в секундах, то частота измеряется в герцах. В большинстве стран, включая Россию, промышленная частота переменного тока составляет 50 Гц (в США и Японии – 60 Гц). Величина промышленной частоты переменного тока обусловлена технико-экономическими соображе­ниями. Если она слишком низка, то увеличиваются габариты электрических машин и, следовательно, рас­ход материалов на их изготовление; заметным ста­новится мигание света в электрических лампочках. При слишком высоких частотах увеличиваются по­тери энергии в сердечниках электрических машин и трансформаторах. Поэтому наиболее оптимальными оказались частоты 50 – 60 Гц. Однако в некоторых случаях используются переменные токи как с более высокой, так и с более низкой частотой. Например, в самолетах применяется частота 400 Гц. На этой час­тоте можно значительно уменьшить габариты и вес трансформаторов и электромоторов, что для авиации более существенно, чем увеличение потерь в сердеч­никах.