Глава 3. Электромагнитные явления. § 61. Способы получения электрической энергии — с. 223
§ 61. Вопрос 1. Какой электрический ток называют переменным?
С помощью какого простого опыта его можно получить?
Переменным называют электрический ток, который периодически изменяет своё направление (и одновременно значение силы тока). Простейший опыт: проволочную рамку вращают между полюсами постоянного магнита (или рядом с ней вращают магнит), а концы рамки через два сплошных контактных кольца и скользящие по ним щётки соединяют с гальванометром или лампочкой. При вращении магнитный поток через рамку непрерывно изменяется, поэтому в ней возникает ток электромагнитной индукции. За половину оборота рамка поворачивается к полюсам другой стороной, направление тока в ней меняется на противоположное, и стрелка гальванометра отклоняется то в одну, то в другую сторону. Чем быстрее вращать рамку, тем чаще меняется направление тока и тем больше его сила.
§ 61. Вопрос 2. Где используют переменный электрический ток?
Переменный ток вырабатывают генераторы всех электростанций, и именно он поступает в наши дома по осветительной сети (напряжение 220 В, частота 50 Гц). Его используют для освещения, питания бытовых электроприборов (холодильников, стиральных машин, телевизоров, нагревателей), для работы электродвигателей на заводах, в электротранспорте и в промышленных установках. Главное преимущество переменного тока — его напряжение можно с помощью трансформаторов повышать и понижать, поэтому по линиям электропередачи его передают на большие расстояния с малыми потерями.
§ 61. Вопрос 3. Расскажите об устройстве и принципе действия промышленного генератора.
Основные части промышленного генератора переменного тока — неподвижный статор и вращающийся ротор. В пазах статора уложены обмотки из толстого изолированного провода, в которых и возникает ток. Ротор представляет собой мощный электромагнит: его обмотку питают постоянным током через контактные кольца и щётки, и он создаёт сильное магнитное поле. Ротор приводится во вращение турбиной (паровой, газовой или гидравлической). Вращающееся магнитное поле ротора пронизывает витки обмоток статора, магнитный поток через них непрерывно меняется, и в обмотках возникает переменная ЭДС индукции. Если обмотки замкнуть на потребителей, в цепи пойдёт переменный ток с частотой 50 Гц. Таким образом, в генераторе механическая энергия вращения превращается в энергию электрического тока.
§ 61. Дополнительный вопрос. Рассмотрите рисунок 175. Замкнём ключ К1, оставив ключ К2 разомкнутым. Почему рамка начинает вращаться?
Разомкнём ключ К1, замкнём ключ К2 и приведём рамку во вращение. Почему лампочка загорается?
Изменяется ли направление тока, протекающего через лампочку?
(рис. 175) [на рисунке: между полюсами N и S магнита на оси находится рамка, концы которой присоединены к двум полукольцам; к ним прижаты две щётки, соединённые с цепью: батарея с ключом К1 и параллельно ей лампа с ключом К2]
При замкнутом К1 (К2 разомкнут) от батареи через щётки и полукольца в рамке идёт ток. На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера, направление которой определяется правилом левой руки. На две противоположные стороны рамки силы действуют в противоположные стороны и создают вращающий момент, поэтому рамка поворачивается; это модель электродвигателя. Когда рамка проходит положение, перпендикулярное магнитным линиям, полукольца меняют контакты со щётками, направление тока в рамке меняется, и рамка продолжает вращаться в ту же сторону.
При разомкнутом К1 и замкнутом К2 вращаемая рукой рамка пересекает магнитные линии, магнитный поток через неё изменяется, и в рамке возникает ток электромагнитной индукции. Через щётки он поступает в лампочку, и она загорается; это модель генератора.
В рамке направление индукционного тока меняется каждые пол-оборота. Но полукольца с каждым таким переворотом тока меняют и подключение рамки к щёткам, поэтому во внешней цепи направление тока через лампочку остаётся неизменным (ток пульсирует по значению, но не меняет знак). Если вместо полуколец поставить два сплошных кольца, ток в лампочке стал бы переменным и менял бы направление.
Оговорка: ответ дан по виду рисунка (два полукольца-коллектор).
При разомкнутом К1 и замкнутом К2 вращаемая рукой рамка пересекает магнитные линии, магнитный поток через неё изменяется, и в рамке возникает ток электромагнитной индукции. Через щётки он поступает в лампочку, и она загорается; это модель генератора.
В рамке направление индукционного тока меняется каждые пол-оборота. Но полукольца с каждым таким переворотом тока меняют и подключение рамки к щёткам, поэтому во внешней цепи направление тока через лампочку остаётся неизменным (ток пульсирует по значению, но не меняет знак). Если вместо полуколец поставить два сплошных кольца, ток в лампочке стал бы переменным и менял бы направление.
Оговорка: ответ дан по виду рисунка (два полукольца-коллектор).