Princip rada generatora
Generatori su strojevi pretvaranje mehaničke energije u električnu energiju… Princip rada generatora temelji se na fenomen elektromagnetske indukcije, kada se EMF inducira u vodiču koji se kreće u magnetskom polju i križa njegove magnetske sile. Stoga takav vodič možemo smatrati izvorom električne energije.
Metoda dobivanja induciranog EMF-a, u kojoj se žica kreće u magnetskom polju, pomičući se gore ili dolje, vrlo je nezgodna za praktičnu upotrebu. Stoga se u generatorima ne koristi pravocrtno, već rotacijsko kretanje žice.
Glavni dijelovi svakog generatora su: sustav magneta, ili češće elektromagneta, koji stvaraju magnetsko polje, i sustav žica koje sijeku to magnetsko polje.
Uzmimo žicu u obliku zakrivljene petlje koju ćemo dalje zvati okvir (slika 1) i stavimo je u magnetsko polje koje stvaraju polovi magneta. Ako se takvom okviru zada rotacijsko gibanje oko osi 00, tada će njegove stranice okrenute prema polovima presijecati silnice magnetskog polja i u njima će se inducirati EMF.
Riža. 1. EMF indukcija u zvonastom vodiču (okvir) koji rotira u magnetskom polju
Spajanjem žarulje na okvir pomoću mekanih žica, na taj način ćemo zatvoriti strujni krug i svjetlo će zasvijetliti. Žarulja će nastaviti gorjeti dok se okvir okreće u magnetskom polju. Takav uređaj je najjednostavniji generator, koji mehaničku energiju utrošenu na rotaciju okvira pretvara u električnu energiju.
Takav jednostavan generator ima prilično značajan nedostatak. Nakon kratkog vremena, mekane žice koje povezuju žarulju s rotirajućim okvirom će se uvrnuti i slomiti. Kako bi se izbjegli takvi prekidi u strujnom krugu, krajevi okvira (slika 2) pričvršćeni su na dva bakrena prstena 1 i 2, koji se okreću zajedno s okvirom.
Ovi prstenovi se nazivaju klizni prstenovi. Električna struja se odvodi od kliznih prstenova prema vanjskom krugu (do žarulje) preko elastičnih ploča 3 i 4 uz prstenove. Ove ploče se nazivaju četke.
Riža. 2. Smjer induciranog EMF-a (i struje) u žicama A i B okvira koji se okreću u magnetskom polju: 1 i 2 — klizni prstenovi, 3 i 4 — četke.
S takvim priključkom rotirajućeg okvira na vanjski krug, neće doći do odspajanja spojnih žica i generator će raditi normalno.
Razmotrimo sada smjer EMF-a induciranog u vodovima okvira, ili, što je isto, smjer struje induciranog u okviru sa zatvorenim vanjskim krugom.
Sa smjerom rotacije okvira, koji je prikazan na sl. 2, u lijevom vodiču AA, EMF će biti induciran u smjeru od nas izvan ravnine crteža, au desnom eksplozivu - zbog ravnine crteža na nama.
Budući da su dvije polovice žice okvira spojene serijski jedna s drugom, inducirani EMF u njima će se povećati, a na četkici 4 će biti pozitivan pol generatora i negativni pol četke 3.
Pratimo promjenu induciranog EMF-a dok se okvir potpuno rotira. Ako se okvir u smjeru kazaljke na satu zakrene za 90° od položaja prikazanog na sl. 2, tada će se polovice njegovog vodiča u tom trenutku kretati duž linija magnetskog polja i indukcija EMF-a u njima će prestati.
Daljnja rotacija okvira za još 90 ° dovest će do činjenice da će žice okvira ponovno prijeći linije sile magnetskog polja (slika 3), ali će se žica AA pomaknuti u odnosu na linije sile ne odozdo prema gore, već odozgo prema dolje, dok će žica BB naprotiv, prelaziti linije sile, krećući se odozdo prema gore.
Riža. 3. Promjena smjera induciranog e. itd. s. (i struja) kada se okvir zakrene za 180 ° u odnosu na položaj prikazan na sl. 2.
S novim položajem okvira, smjer inducirane EMF u žicama AL i BB će se promijeniti u suprotnom smjeru. To proizlazi iz činjenice da je sam smjer u kojem svaka od ovih žica siječe silnice magnetskog polja u ovom slučaju promijenjen. Kao rezultat toga, promijenit će se i polaritet četkica generatora: četkica 3 će sada postati pozitivna, a četkica 4 negativna.
Okrećući okvir dalje, opet ćemo imati kretanje žica AA i BB duž linija magnetske sile, au budućnosti - ponavljanje svih procesa od početka.
Dakle, tijekom jedne potpune rotacije okvira, inducirani EMF dva puta mijenja svoj smjer, a njegova vrijednost tijekom istog vremena također dva puta dostiže svoje najveće vrijednosti (kada žice okvira prolaze ispod polova) i dva puta jednaku nuli (u trenucima kretanja žica duž linija magnetskog polja).
Sasvim je jasno da će EMF koji mijenja smjer i veličinu inducirati električnu struju koja mijenja smjer i veličinu u zatvorenom vanjskom krugu.
Tako, primjerice, ako se na stezaljke ovog najjednostavnijeg generatora spoji žarulja, tada će tijekom prve polovice vrtnje okvira električna struja kroz žarulju ići u jednom smjeru, a tijekom druge polovice pak, u drugom.
Riža. 4. Krivulja promjene inducirane struje za jedan okretaj okvira
Krivulja na sl. 1 daje ideju o prirodi promjene struje kada se okvir okrene za 360 °, to jest, u jednom potpunom okretaju. 4. Inducira se električna struja koja neprestano mijenja veličinu i smjer naizmjenična struja.