5.2. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Читателю, конечно, известно, что на электростанциях вырабатывается для потребителей не постоянный, а переменный ток.

Электрическая осветительная сеть в домах, театрах и клубах, так же как и силовая электрическая сеть на заводах и фабриках, питается переменным током.

Наведенная электродвижущая сила. Для преобразования механической энергии в электрическую необходимо энергию движения преобразовать в энергию электрического тока.

Электрический ток при этом возбуждается путем электромагнитной индукции (гл. 2).

Явление электромагнитной индукции может получить техническое применение лишь в том случае, если мы сумеем непрерывно наводить напряжение в электрических цепях.

Ясно, что схемы на рис. 2.37 и 2.41 не удовлетворяли этому условию: в первом случае получался лишь кратковременный толчок напряжения; во втором случае наведенное напряжение опять-таки исчезало, лишь только проводник покидал пределы магнитного поля.

Спросим себя, может ли ЭДС, наведенная в каком-нибудь контуре, сохранять неизменными как свою величину, так и свое направление? Чтобы обеспечить постоянство ЭДС, надо или непрерывно увеличивать сцепленный с контуром магнитный поток, или, наоборот, все время уменьшать его. Если магнитный поток будет в равные промежутки времени получать одинаковые приращения, то ЭДС будет неизменной по величине.

Ясно, что нельзя неограниченно увеличивать магнитную индукцию. Для нее существует предел, обусловленный и экономической целесообразностью, и сегодняшним уровнем техники. Этим пределом и определяется тот промежуток времени, в течение которого наведенная ЭДС, а следовательно, и электрический ток могут оставаться постоянными.

Простой расчет позволяет нам оценить длительность этого промежутка.

Допустим, что мы располагаем возможностью получить магнитное поле с индукцией 2,5 Тл. Возьмем прямоугольную рамку 40X50 см2, т. е. с площадью 0,2 м2. Наибольший магнитный поток, с которым мы в состоянии сцепить нашу рамку, равен половине вебера. Потребуем, чтобы по рамке проходил постоянный ток 1 А. Если сопротивление рамкй равно 0,001 Ом, то для этого нужна ЭДС, равная 0,001 В, Такая ЭДС будет получена при равномерном изменении магнитного потока от нуля до 0,5 Вб в течение 500 с. Можно даже удвоить этот результат, меняя поток в рамке от —0,5 Вб до +0,5 Вб, т. е. в общей сложности на один вебер. Тогда ток 1 А можно поддерживать в течение 1000 с, так что через любое сечение проводника пройдет заряд 1000 Кл. Нетрудно подсчитать, что поддерживать ток 10 А нам удастся лишь в течение 100 с, что соответствует переносу такого же заряда 1000 Кл.

Между тем от генераторов требуется непрерывная работа, исчисляемая не секундами и минутами, а месяцами и годами. При таких обстоятельствах индуктированное напряжение может быть лишь изменяющимся: магнитный поток сквозь площадь рамки должен попеременно увеличиваться и уменьшаться, и тогда его величина не превзойдет заданного предела.

Если сопротивление., к которому подключается источник изменяющегося по времени напряжения, не обладает свойством односторонней проводимости, то протекающий по цепи ток будет также переменным.

На рис. 5.1 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.

Рис. 5.1. Получение переменного тока. Стрелка вольтметра попеременно отклоняется вправо и влево от нулевого положения

Следовательно, в рамке будет наводиться ЭДС. И действительно, опыт показывает, что стрелка вольтметра отклоняется.

Периодическое изменение наведенной ЭДС. Проследим шаг за шагом, как будет изменяться ЭДС рамки при ее равномерном вращении. Очевидно, что достаточно проследить за изменением ЭДС на протяжении одного полного оборота рамки. После того как сделан полный оборот, рамка возвратится в исходное положение, и происходящие в ней явления будут повторяться в той же последовательности. В рамке будет наводиться периодическая ЭДС, длительность периода которой равна времени одного полного оборота.

На первый взгляд, может показаться, что период ЭДС равен времени не полного оборота, а полуоборота. Ведь после того, как рамка сделает один полуоборот, она, казалось бы, займет прежнее положение в магнитном поле. Чтобы разобраться в этом, обратимся к рис. 5.2, где изображены последовательные положения рамки через восьмые части полного оборота.

Сличим положения г и е. В обоих положениях рамка сцеплена с одинаковыми магнитными потоками. Но есть и существенное различие. В тот момент, когда рамка находится в положении г, магнитный поток увеличивается.

Рис. 5.2. Изменения напряжения на концах вращающегося витка

В положении д поток достигает наибольшего возможного для него значение, равного произведению индукции поля В и площади рамки S. Если мы будем смотреть вдоль линий поля, то ЭДС будет стремиться посылать ток в направлении, обратном ходу стрелки часов. В правом проводе ток направлен на нас (острие стрелки), в левом проводе от нас (хвост стрелки).

Противоположная картина наблюдается в момент времени е. Сейчас магнитный поток уменьшается, а следовательно, глядя вдоль линий поля, мы увидим, что ЭДС стремится посылать ток по ходу часовой стрелки. Направление тока по сравнению с моментом г изменилось на прямо противоположное. Отсюда, между прочим, следует, что в момент времени д и ЭДС и ток равны нулю. Хотя величина магнитного потока в этот момент времени наибольшая, скорость его изменения равна нулю.

Теперь сличим положения б и е. Казалось бы, здесь налицо полное совпадение: рамка сцеплена с одинаковыми потоками. В обоих случаях поток сквозь рамку уменьшается. В левом проводе ток направлен на нас, в правом — от нас. Но дело в том, что между моментами времени б и е рамка сделала половину оборота и левый провод превратился в правый. Таким образом, хотя величина тока в эти моменты времени одинакова, направления токов оказываются противоположными. Если считать ток в момент времени б положительным, то ток в момент времени е надо считать отрицательным.

Если в родожениях а яд ЭДС и ток оказываются равными нулю, то в момент времени в они должны достичь своих наибольших значений. Любопытно, что как раз в этот момент времени сцепленный с рамкой магнитный поток равен нулю. Но скорость его изменения в этот момент оказывается наибольшей, так как провода рамки движутся поперек магнитной линии.

С подобными явлениями мы встречаемся очень часто в повседневной практике. Так, например, раскачиваясь на качелях, легко заметить, что когда качели отклоняются от своего нижнего положения, скорость их движения постепенно убывает. Наибольшее отклонение всегда бывает в тот момент, когда скорость уменьшается до нуля. Затем скорость движения качелей меняет свое направление на обратное. Скорость постепенно увеличивается и достигает наибольшей величины, когда качели проходят свое исходное положение, т. е. тогда, когда отклонение от исходного положения равно нулю.

Аналогично колеблется маятник стенных часов.

Во всех этих случаях происходит периодическое изменение величин, характеризующих данный процесс. Отклонение качелей или маятника от положения равновесия и скорость их движения являются периодическими величинами.

Кривая изменения ЭДС во времени. В равномерно вращающейся рамке в однородном магнитном поле наводится по закону электромагнитной индукции периодическая ЭДС, т. е. получается переменное напряжение.

В том случае, когда вращающаяся рамка присоединена к замкнутой электрической цепи,

переменная ЭДС создает в цепи переменный ток.

Кривая изменения ЭДС за период показана в нижней части рис. 5.2. Дважды в течение периода ЭДС делается равной нулю, дважды достигает своих наибольших (амплитудных) значений. Этим двум амплитудам соответствуют различные направления тока.