Načelo delovanja generatorja

Generatorji so stroji pretvarjanje mehanske energije v električno energijo… Princip delovanja generatorja temelji na pojav elektromagnetne indukcije, ko se elektromagnetno polje inducira v prevodniku, ki se premika v magnetnem polju in prečka njegove magnetne sile. Zato lahko tak prevodnik štejemo za vir električne energije.

Metoda pridobivanja induciranega EMF, pri kateri se žica premika v magnetnem polju, premika navzgor ali navzdol, je zelo neprijetna za njeno praktično uporabo. Zato se v generatorjih ne uporablja pravokotno, ampak rotacijsko gibanje žice.

Glavni deli vsakega generatorja so: sistem magnetov ali pogosteje elektromagnetov, ki ustvarjajo magnetno polje, in sistem žic, ki prečkajo to magnetno polje.

Vzemimo žico v obliki ukrivljene zanke, ki jo bomo v nadaljevanju imenovali okvir (slika 1), in jo postavimo v magnetno polje, ki ga ustvarjajo poli magneta. Če se takšnemu okvirju vrti okoli osi 00, bodo njegove strani, obrnjene proti polom, prečkale silnice magnetnega polja in v njih se bo induciral EMF.

riž. 1. Indukcija EMF v zvonastem prevodniku (okvirju), ki se vrti v magnetnem polju

Če z mehkimi žicami povežemo žarnico na okvir, bomo na ta način sklenili tokokrog in lučka bo zasvetila. Žarnica bo še naprej gorela, medtem ko se okvir vrti v magnetnem polju. Takšna naprava je najpreprostejši generator, ki pretvarja mehansko energijo, porabljeno za vrtenje okvirja, v električno energijo.

Tako preprost generator ima precej pomembno pomanjkljivost. Po kratkem času se mehke žice, ki povezujejo žarnico z vrtljivim okvirjem, zvijejo in zlomijo. Da bi se izognili takšnim prekinitvam v tokokrogu, sta konca okvirja (slika 2) pritrjena na dva bakrena obroča 1 in 2, ki se vrtita skupaj z okvirjem.

Ti obroči se imenujejo drsni obroči. Električni tok se preusmeri od drsnih obročev do zunanjega tokokroga (do žarnice) prek elastičnih plošč 3 in 4, ki mejijo na obroče. Te plošče se imenujejo ščetke.

riž. 2. Smer induciranega EMF (in toka) v žicah A in B okvirja, ki se vrtijo v magnetnem polju: 1 in 2 - drsni obroči, 3 in 4 - ščetke.

S takšno povezavo vrtljivega okvirja z zunanjim tokokrogom ne bo prišlo do odklopa povezovalnih žic in generator bo deloval normalno.

Oglejmo si zdaj smer EMF, induciranega v vodnikih okvirja, ali, kar je enako, smer toka, induciranega v okvirju, ko je zunanje vezje zaprto.

S smerjo vrtenja okvirja, ki je prikazana na sl. 2, v levem vodniku AA bo EMF induciran v smeri od nas iz ravnine risbe, v desnem eksplozivu pa zaradi ravnine risbe na nas.

Ker sta obe polovici žice okvirja zaporedno povezani med seboj, se bo inducirani EMF v njih povečal, na krtači 4 pa bo pozitivni pol generatorja in negativni pol krtače 3.

Sledimo spremembi induciranega EMF, ko se okvir popolnoma zavrti. Če okvir v smeri urinega kazalca zavrtimo za 90° od položaja, prikazanega na sl. 2, potem se bodo polovice njegovega prevodnika v tem trenutku premikale vzdolž magnetnih silnic in indukcija EMF v njih se bo ustavila.

Nadaljnji zasuk okvirja za nadaljnjih 90 ° bo privedel do dejstva, da bodo žice okvirja spet prečkale silnice magnetnega polja (slika 3), vendar se bo žica AA premaknila glede na silnice ne od spodaj navzgor, ampak od zgoraj navzdol, medtem ko bo žica BB, nasprotno, prečkala črte sile, ki se gibljejo od spodaj navzgor.

riž. 3. Spreminjanje smeri inducirane e. itd. (in tok), ko je okvir zasukan za 180 ° glede na položaj, prikazan na sl. 2.

Z novim položajem okvirja se bo smer inducirane emf v žicah AL in BB spremenila v nasprotno smer. To izhaja iz dejstva, da se je spremenila sama smer, v kateri vsaka od teh žic prečka magnetne silnice v tem primeru. Zaradi tega se bo spremenila tudi polarnost ščetk generatorja: ščetka 3 bo postala pozitivna, ščetka 4 pa negativna.

Z nadaljnjim obračanjem okvirja bomo spet imeli gibanje žic AA in BB vzdolž magnetnih silnic, v prihodnosti pa - ponovitev vseh procesov od začetka.

Tako med enim popolnim vrtenjem okvirja inducirani EMF dvakrat spremeni svojo smer, njegova vrednost v istem času pa tudi dvakrat doseže najvišje vrednosti (ko žice okvirja potekajo pod poli) in dvakrat enaka nič. (v trenutkih gibanja žic vzdolž silnic magnetnega polja).

Povsem jasno je, da bo EMF, ki se spreminja v smeri in velikosti, induciral električni tok, ki se spreminja v smeri in velikosti v zaprtem zunanjem krogu.

Torej, če je na primer žarnica priključena na sponke tega najpreprostejšega generatorja, bo v prvi polovici vrtenja okvirja električni tok skozi žarnico šel v eno smer, v drugi polovici pa obrat, v drugem.

riž. 4. Krivulja spremembe induciranega toka za en obrat okvirja

Krivulja na sl. 1 daje idejo o naravi trenutne spremembe, ko se okvir zavrti za 360 °, to je v enem celotnem obratu. 4. Inducira se električni tok, katerega velikost in smer se nenehno spreminjata izmenični tok.