ИНДУКЦИЯ ТОКА В ДВИЖУЩИХСЯ ПРОВОДНИКАХ. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА ИНДУКЦИИ. ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ИНДУКЦИЯ ТОКА В ДВИЖУЩИХСЯ ПРОВОДНИКАХ. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА ИНДУКЦИИ. ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.Электрический ток — это движение носителей заряда. Если магнитный поток через контур изменяется, то в контуре возникает вихревое электрическое поле, благодаря которому и движутся носители и возникает электрический ток. Однако это не единственный способ создать в проводнике движение зарядов.Рассмотрим теперь второй случай возникновения индукционного тока.При движении проводника его свободные заряды движутся вместе с ним. Поэтому на заряды со стороны магнитного поля действует сила Лоренца. Она-то и вызывает перемещение зарядов внутри проводника. ЭДС индукции, следовательно, имеет магнитное происхождение.На многих электростанциях земного шара именно сила Лоренца вызывает перемещение электронов в движущихся проводниках.Вычислим ЭДС индукции, возникающую в проводнике, движущемся в однородном магнитном поле (рис). Пусть сторона контура MN длиной I скользит с постоянной скоростью  вдоль сторон NC и MD, оставаясь все время параллельной стороне CD. Вектор магнитной индукции  однородного поля перпендикулярен проводнику и составляет угол α с направлением его скорости.Сила, с которой магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу, равна по модулюFл = | q |υ B sin α.                     Направлена эта сила вдоль проводника MN. Работа силы Лоренца1 на пути I положительна и составляет:А = Fлl = | q | υ Bl sin α.1 Это неполная работа силы Лоренца. Кроме силы Лоренца, имеется составляющая силы Лоренца, направленная против скорости и проводника. Эта составляющая тормозит движение проводника и совершает отрицательную работу. В результате полная работа силы Лоренца оказывается равной нулю.Электродвижущая сила индукции в проводнике MN равна, по определению, отношению работы по перемещению заряда q к этому заряду:Эта формула справедлива для любого проводника длиной l, движущегося со скоростью  в однородном магнитном поле.В других проводниках контура ЭДС равна нулю, так как эти проводники неподвижны. Следовательно, ЭДС во всем контуре MNCD равна  и остается неизменной, если скорость движения  постоянна. Электрический ток при этом будет увеличиваться, так как при смещении проводника MN вправо уменьшается общее сопротивление контура.ЭДС индукции можно вычислить также и с помощью закона электромагнитной индукции. Действительно, магнитный поток через контур MNCD равен:left000Ф = BS cos (90° - α) = BS sin α,где угол (90° - α) есть угол между вектором  и нормалью  к поверхности контура, a S — площадь, ограниченная контуром MNCD. Если считать, что в начальный момент времени (t = 0) проводник MN находится на расстоянии NC от проводника CD (см. рис. 2.10), то при перемещении проводника площадь S изменяется со временем следующим образом:S = l (NC - υ t).За время Δt площадь контура меняется на ΔS = -lυ Δt. Знак «-» указывает на то, что она уменьшается. Изменение магнитного потока за это время равно:Если весь контур MNCD движется в однородном магнитном поле, сохраняя свою ориентацию по отношению к вектору , то ЭДС индукции в контуре будет равна нулю, так как поток Ф через поверхность, ограниченную контуром, не меняется. Объяснить это можно так. При движении контура в проводниках MN и CD возникают силы, действующие на электроны в направлениях от N к М и от С к D. Суммарная работа этих сил при обходе контура по часовой стрелке или против нее равна нулю.Для создания тока в цепи необходимо наличие электродвижущей силы. Поэтому явление электромагнитной индукции свидетельствует о том, что при изменении магнитного потока в контуре возникает электродвижущая сила индукции. Используя законы сохранения энергии, необходимо найти и выяснить ее природу.Рассмотрим перемещение подвижного участка 1—2 контура с током в магнитном поле В (рис.)Пусть сначала магнитное поле В отсутствует. Батарея с ЭДС, равной ?0 создает ток /0. За время dt батарея совершает работуЭта работа будет переходить в тепло, которое можно найти из закона Джоуля — Ленца:где /0 = ?0 /R; R — полное сопротивление всего контура.Поместим контур в однородное магнитное поле с индукцией В. Линии В || п и связаны с направлением тока (правилом буравчика). Поток Ф, сцепленный с контуром, положителен. Каждый элемент контура испытывает механическую силу dF. Подвижная сторона рамки будет испытывать силу F0. Под действием этой силы участок 1—2 будет перемещаться со скоростью 6 = dx/d/. При этом изменится и поток магнитной индукции. Тогда в результате электромагнитной индукции ток в контуре изменится и станет равным / = /0 - /., где /. — ток индукции.Изменится и сила F0, которая теперь станет равной результирующей силе F. Эта сила за время dt произведет работу: с1Л = Fdx = МФ.При неподвижном контуре эта работа сводилась только лишь к выделению тепла. В рассматриваемом случае тепло тоже выделяется, но уже в другом количестве, так как ток изменился. Кроме того, появилась механическая работа. Общая работа за время dt равнаУмножим левую и правую части выражения на /IRdt:ОтсюдаПолученное выражение можно рассматривать как закон Ома для контура, в котором кроме источника Е0 действуетЭлектродвижущая сила индукции контура Е, равна скорости изменения потока магнитной индукции, пронизывающей этот контур.Это выражение для ЭДС индукции контура универсально, не зависит от способа изменения потока магнитной индукции и носит название закон Фарадея.Знак «минус» в выражении отражает правило Ленца о направлении индукционного тока: индукционный ток всегда направлен так, чтобы своим полем противодействовать изменению начального магнитного поля.Направление индукционного тока и направление бФ/dt связаны правилом буравчика.Размерность ЭДС индукции — Если контур состоит из нескольких витков, то используют понятие «потокосцепление» (полный магнитный поток): где N —число витков.Итак, если и то закон Фарадеяможно записать в следующем виде:Генератор переменного тока — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.В последнее время широкое распространение получили генераторы переменного тока, выгодно отличающиеся от генераторов постоянного тока своими габаритными размерами и способностью вырабатывать ток заряда при меньшей частоте вращения коленчатого вала двигателя. Они имеют повышенную надежность.Генераторы переменного тока используют на гусеничных и колесных машинах (например, на КамАЗ-4310 и КЗКТ-7428). По своей конструкции генераторы переменного тока отличаются от коллекторных генераторов постоянного тока. У них почти вдвое меньше масса и втрое — расход меди. Благодаря более раннему началу отдачи зарядного тока (с момента приведения во вращение вала двигателя на режиме холостого хода) такие генераторы имеют существенно лучшие зарядные свойства по сравнению с генераторами постоянного тока.Генератор переменного тока представляет собой трехфазную синхронную электромашину с электромагнитным возбуждением и выпрямителем. Генератор работает совместно с регулятором напряжения, обеспечивающим поддержание в электросети машины (с определенным допуском) требуемого постоянного напряжения.Рис. Схема генератора переменного тока:1 — ротор; 2 — статор; 3, 9 — шарикоподшипники; 4 — шкив привода; 5 — вентилятор; 6, 10 — крышки; 7 — выпрямитель; 8 — контактные кольца; 11 — щеткодержатель; 12 — обмотка возбуждения; 13 — винты крепления фазовых обмоток статора к выпрямителю; 14 — винт «массы».Принцип действия генератора переменного токаКонструкции электрических генераторов переменного тока различны, но принцип их действия одинаков. Рассмотрим один из таких генераторов.Статор 2 генератора с трехфазной обмоткой выполнен в виде отдельных катушек, в витках которых при вращении ротора 1 индуцируется переменное напряжение. В каждой фазе имеется по шесть катушек, соединенных последовательно. Обмотка возбуждения 12 выполнена в виде катушки и помещена на стальной втулке клювообразных полюсов ротора, обмотки которого питаются постоянным током от аккумуляторной батареи или выпрямителя 7, устанавливаемого на выходе генератора. В крышке 10 имеются вентиляционные окна, через которые циркулирует охлаждающий поток воздуха. Моноблок-радиатор способствует охлаждению выпрямителя, собранного из кремниевых вентилей (диодов) с допустимой температурой нагрева 150 °С.Интересным компоновочным решением конструкции генератора переменного тока является генераторная установка магистральных автопоездов МАЗ. Она состоит из генератора и интегрального регулятора напряжения (ИРН). Номинальное вырабатываемое напряжение установки 28 В, номинальная мощность 800 Вт. Регулятор вмонтирован в основание щеткодержателя генератора. В крышку генератора также вмонтирован выпрямительный блок БПВ 4-45. Регулятор состоит из резисторов, конденсаторов, стабилитронов, транзисторов и других элементов. Он снабжен переключателем сезонной регулировки («летняя» и «зимняя»). Элементы ИРН смонтированы на малогабаритной керамической плате, закрытой специальной крышкой и залитой герметиком, что делает конструкцию неразборной и неремонтируемой.