Генератор электрического тока

Помещенный между полюсами U-образного магнита проводник начинает двигаться, если в нем создать электрический ток. Имеет ли место обратное явление – возникнет ли в проводнике ток, если его перемещать между полюсами U-образного магнита? Многие физики искали ответ на этот вопрос. А разрешил эту проблему английский физик Майкл Фарадей.

Фарадей начал исследования в 1822 году. Существует даже легенда, что с этого времени он носил в кармане магнит и кусочек проволоки. Может, для того чтобы помнить о поставленной цели, а может, чтобы сразу проверить пришедшую ему в голову идею. На осуществление своей цели Фарадей потратил около десяти лет. В дневнике ученого записано, что 29 августа 1831 года ему удался опыт, в котором он открыл явление электромагнитной индукции.

Пусть между сторонами U-образного магнита помещен прямой провод, соединенный с гальванометром. Если передвигать провод вдоль сторон магнита, гальванометр покажет наличие тока в проводе. 

Если провод перемещать вдоль сторон U-образного магнита, в проводе возникает электрический ток.

Ток длится до тех пор, пока провод движется. Если провод между полюсами магнита неподвижен или движется перпендикулярно сторонам магнита от одного полюса к другому, то ток в проводе не возникает. В неподвижном проводе тоже можно создать ток, если двигать магнит относительно провода. Но магнит надо двигать так, чтобы провод перемещался вдоль магнита.

Как известно, силовые линии магнитного поля между полюсами U­-образного магнита перпендикулярны сторонам магнита. Из приведенного на рисунке опыта видно, что ток возникает в проводе только тогда, когда движущийся между сторонами магнита провод, образно говоря, пересекает силовые линии магнитного поля. Двигаясь же от одного полюса к другому, провод перемещается лишь вдоль силовых линий магнитного поля, то есть не пересекает их, и при таком движении ток не возникает.

Явление электромагнитной индукции проявляется в том, что в движущемся в магнитном поле проводнике возникает электрический ток, если проводник пересекает силовые линии магнитного поля. Возникший в проводнике ток называется в этом случае индукционным током. Слово «индукция» происходит от латинского слова inductio – возбуждение.

Направление индукционного тока зависит от направления движения проводника относительно силовых линий магнитного поля. Если при введении проводника в промежуток между сторонами магнита стрелка гальванометра отклоняется, например, вправо от центра шкалы, то при выведении проводника из промежутка между сторонами магнита стрелка отклонится влево. Следовательно, направление индукционного тока в этих случаях противоположное.

На явлении электромагнитной индукции основана работа генератора электрического тока. Устройство генератора аналогично устройству электродвигателя. Основными частями обоих устройств являются рамка с обмоткой, постоянный магнит или электромагнит, а также кольца и щетки. Хотя генератор и электродвигатель имеют аналогичное устройство, принципы их работы различаются. В обмотку рамки электродвигателя направляется ток, и в результате взаимодействия обмотки с током и магнитного поля рамка начинает вращаться. В генераторе же рамку с обмоткой в магнитном поле приводят во вращение, и в результате в обмотке и соединенных с ней проводниках возникает индукционный ток.

В генераторе переменного тока рамку с обмоткой в магнитном поле приводят во вращение. В результате этого в обмотке и соединенных с ней проводниках возникает индукционный ток.

Во вращающейся в магнитном поле обмотке ток возникает потому, что стороны вращающейся обмотки пересекают силовые линии магнитного поля. Поскольку направление индукционного тока зависит от направления движения проводника относительно силовых линий магнитного поля, то в противоположных сторонах обмотки возникает ток противоположного направления. За время полного оборота рамки направление тока в обмотке меняется два раза. Концы обмотки генератора соединяются с потребителями электроэнергии через закрепленные на оси вращающейся рамки кольца и соприкасающиеся с ними щетки.

Генераторы переменного тока являются в наше время основными источниками электрического тока. В мощных генераторах электрического тока магнитное поле создается электромагнитами. В генераторе имеется несколько обмоток с большим числом витков, на концах которых создается большое напряжение. Ток высокого напряжения очень трудно снять с обмотки с помощью колец и щеток, так как между ними возникнет сильное искрение. Чтобы избежать этого, в мощных генераторах приводится во вращение электромагнит. Обмотки же, в которых индуцируется ток, установлены неподвижно в корпусе генератора.

Вращающуюся часть генератора приводят в движение паровые турбины, ветровые турбины, гидротурбины или двигатели внутреннего сгорания. Генераторы с паровыми турбинами работают на тепловых и атомных электростанциях. На гидроэлектростанциях генераторы приводятся в движение с помощью гидротурбин. Все большее распространение получают ветрогенераторы, в которых электроэнергия производится при помощи энергии ветра. В генераторах электрического тока механическая энергия превращается в электрическую. На крупных электростанциях работают генераторы, мощность которых составляет более миллиона киловатт и напряжение на клеммах достигает 13–15 киловольт.