Явление электромагнитной индукции

И звестно, что вокруг электрического тока всегда существует маг­нитное поле. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.

Но если электрический ток, как гово­рят. «создает» магнитное поле, то не су­ществует ли обратного явления? Нельзя ли с помощью магнитного поля «создать» электрический ток? Такую задачу в нача­ле XIX в. пытались решить многие уче­ные. Поставил ее перед собой и англий­ский ученый Майкл Фарадей.«Превра­тить магнетизм в электричество» — так записал в своем дневнике эту задачу Фара­дей в 1822 г. Почти 10 лет упорной работы потребовалось Фарадею для ее решения.

Чтобы понять, как Фарадею удалось «превратить магнетизм в электричество», выполним некоторые опыты Фарадея, ис­пользуя современные приборы.

На рисунке 126, а показано, что если в катушку, замкнутую на гальванометр, вдвигается магнит, то стрелка гальванометра при этом отклоняется, указывая на появление индукционного(наведенного) тока в цепи катушки. Индукционный ток в проводнике представляет собой такое же упорядоченное движение электронов, как и ток, полу­ченный от гальванического элемента или аккумулятора. Название «индукционный» указывает только на причину его возникновения.

 

При извлечении магнита из катушки снова наблюдается отклоне­ние стрелки гальванометра, но в противоположную сторону, что указы­вает на возникновение в катушке тока противоположного направления,

Как только движение магнита относительно катушки прекращает­ся, прекращается и ток. Следовательно, ток в цепи катушки существу­ет только во время движения магнита относительно катушки.

Опыт можно видоизменить. На неподвижный магнит будем наде­вать катушку и снимать ее (рис. 126, б). И опять можно обнаружить, что во время движения катушки относительно магнита в цепи снова появляется ток.

На рисунке 127 изображена катушка-А, включенная в цепь ис­точника тока. Эта катушка вставлена в другую катушку С, подклю­ченную к гальванометру. При замыкании и размыкании цепи ка­тушки А в катушке С возникает индукционный ток.

Можно вызвать появление индукционного тока в катушке С и путем изменения силы тока в катушке А или движением этих кату­шек относительно друг друга.

Проделаем ещё один опыт. Поместим в магнитное поле плоский контур из проводника, концы которого соединим с гальванометром (рис. 128, а). При повороте контура гальванометр отмечает появле­ние в нем индукционного тока. Ток будет появляться и в том случае, если рядом с контуром или внутри него вращать магнит (рис. 128, б).

Во всех рассмотренных нами опытах индукционный ток воз­никал при изменении магнитного потока, пронизывающего охваченную проводником площадь.

В случаях, изображенных на рисунках 126, а, б и 127, поток менял­ся за счет изменения индукции магнитного поля. Действительно, при движении магнита и катушки относительно друг друга (см. рис. 126, а, б) катушка попадала в области поля с большей или меньшей маг­нитной индукцией (так как поле магнита неоднородно). При замыка­нии и размыкании цепи катушки Аиндукция создаваемого этой ка­тушкой магнитного поля менялась за счет изменения силы тока в ней.

При вращении проволочного контура в магнитном поле (см. рис. 128, а) или магнита относительно контура (см. рис. 128, б)магнитный поток менялся за счет изменения ориентации этого кон­тура по отношению к линиям магнитной индукции.

Итак, при всяком изменении магнитного потока, прони­зывающего контур замкнутого проводника, в этом провод­нике возникает электрический ток, существующий в тече­ние всего процесса изменения магнитного потока.

В этом и заключается явление электромагнитной индукции.

Открытие электромагнитной индукции принадлежит к числу са­мых замечательных научных достижений первой половины XIXв. Оно вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники.

На основании явления электромагнитной индукции были созданы мощные генераторы электрической энергии, в разработке которых принимали участие ученые и техники разных стран. Среди них были и наши соотечественники: Эмилий Христианович Ленц, Борис Се­менович Якоби, Михаил Иосифович Доливо- Добровольский и другие, внесшие большой вклад в развитие электротехники.

Получение переменного электрического тока

Рассмотрим еще раз получение индукционного тока в катушке с помощью перемещения относительно нее постоянного магнита (см. рис. 126, а). Но теперь будем периодически двигать магнит вверх и вниз в течение нескольких секунд. Мы увидим, что при этом стрелка гальванометра отклоняется от нулевого деления то в одну, то в другую сторону. Это говорит о том, что модуль силы индукционного тока в ка­тушке и направление этого тока периодически меняются.

Электрический ток, периодически меняющийся со вре­менем по модулю и направлению, называется переменным током.

В осветительной сети наших домов и во многих отраслях про­мышленности используется именно переменный ток.

В настоящее время для получения переменного тока используют в основном электромеханические индукционные генерато­ры, т. е. устройства, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую. Индукционными они называются потому, что их действие основано на явлении электромагнитной индукции.

В § 48 рассматривался пример получения индукционного тока в плоском контуре при вращении внутри него магнита (см. рис. 128, б). На этом принципе и работает электромеханический генератор пере­менного тока. Неподвижная часть генератора, аналогичная контуру, называется статором, а вращающаяся, т.е. магнит,— ротором. В мощных промышленных генераторах вместо постоянного магнита используется электромагнит.

Статор промышленного генератора представляет собой стальную станину цилиндрической формы (станина — это основная несущая часть машины, на которой монтируются различные рабочие узлы, механизмы и пр.). Во внутренней его части прорезаются пазы, в ко­торые витками укладывается толстый медный провод. В витках и индуцируется переменный электрический ток при изменении прони­зывающего их магнитного потока.

Магнитное поле создается ротором (рис. 138, а). Он представляет собой электромагнит: на стальной сердечник сложной формы надета обмотка, по которой протекает постоянный электрический ток. Ток к этой обмотке подводится через щетки и кольца от постороннего ис­точника постоянного тока.

На рисунке 138, б вы видите полную схему генератора перемен­ного тока. Штрихами показано примерное расположение линий ин­дукции магнитного поля ротора. При вращении ротора какой-либо внешней механической силой создаваемое им магнитное поле тоже вращается. При этом магнитный поток, пронизывающий витки об­мотки статора, периодически меняется, в результате чего в них ин­дуцируется переменный ток.

На тепловых электростанциях ротор генератора вращается с по­мощью паровой турбины, на гидроэлектростанциях — с помощью водяной турбины.

На рисунке 139, а изображен внешний вид мощного гидрогенера­тора, а на рисунке 139, б схематично показано его устройство, где цифрой 1 обозначен статор, цифрой 2 —ротор, а цифрой 3 — водяная турбина.

Мы видим, что ротор гидрогенератора имеет не одну, а несколько пар магнитных полюсов. Чем больше пар полюсов, тем больше часто­та переменного электрического тока, вырабатываемого генератором при данной скорости вращения ротора. Поскольку скорость враще­ния водяных турбин обычно невелика, то для создания тока стан­дартной частоты используют многополюсные роторы.

Стандартная частота переменного тока, применяемого в про­мышленности и осветительной сети в России и многих других странах, равна 50 Гц. Это означает, на протяжении 1 с ток 50 раз течет в одну сторону и 50 раз в другую. В не­которых странах (например, США) стандартная частота переменного то­ка равна 60 Гц.

Сила тока, вырабатываемого ге­нераторами переменного тока, ме­няется со временем по гармоническому закону (т. е. по закону синуса или косинуса). На рисунке 140 показан график изменения силы тока i со временем t.

Лекция 21.