Принцип получения синусоидальной ЭДС

Переменный ток широко используется во всех отраслях народного хозяйства. Это обусловлено следующими факторами:

· генераторы переменного тока значительно проще, экономичнее и надежнее источников постоянного тока;

· переменный ток можно трансформировать: повышать или понижать напряжения на трансформаторных подстанциях, что широко используется при передаче электроэнергии на большие расстояния;

· двигатели переменного тока применяются в большинстве электроприводов самых разнообразных производственных механизмов;

· при необходимости переменный ток может быть преобразован в постоянный.

Для того, чтобы изучить принцип действия генератора синусоидальной ЭДС, напомним определения физических величин и законов электромагнетизма:

1. Магнитное поле− особый вид материи, порождаемый электрическим током, расположенным в пространстве вокруг движущихся зарядов и проявляющийся по своему воздействию на движущиеся заряды.

2. Ферромагнетики − вещества, содержащие железо (кобальт, никель), способные значительно усилить внешнее магнитное поле за счёт внутренней намагниченности. Кристаллическая структура ферромагнетиков такова, что внутри них за счёт микротоков создаются самопроизвольно области спонтанного намагничивания. Попадая во внешнее магнитное поле, области спонтанного намагничивания переориентируются, значительно его усиливая. Постоянные магниты могут долго сохранять своё магнитное поле, их называют магнитотвёрдыми ферромагнетиками. А магнитомягкие материалы (электротехническая сталь, ферриты) легко перемешиваются.

Рис. 2.1.

А

Рис. 2.2

Силовые линии входят в ладонь, четыре кольца направлены по току в проводнике, большой отогнутый палец укажет направление силы Ампера.

Направление магнитного поля тока можно определить по правилу буравчика.

Магнитное поле является вихревым- силовые линии всегда замкнуты.

Рис. 2.3

Магнитный поток Φ - поток линий магнитной индукции через поверхность S.

(2.2)

Магнитный поток измеряется в Веберах – Вб.

Рис. 2.4

Связь магнитной индукции и напряжённости может быть выражена формулой

(2.4),

где μ - магнитная проницаемость среды - физическая величина, показывающая во сколько раз индукция в однородной среде отличается от магнитной индукции внешнего (намагничивающего) поля в вакууме,

μ = B/B₀; μ₀ – магнитная постоянная, Гн/м.

5. Для ферромагнетиков характерен гистерезис – явление запаздывания изменения индукции магнитного поля B от изменения напряжённости Н (или намагничивающего тока) при перемагничивании.

Рис. 2.5

При увеличении намагничивающего тока индукция возрастает сначала весьма значительно, затем рост индукции замедляется, и, наконец, прекращается. Это объясняется тем, что при возрастании тока и, следовательно, внешнего магнитного поля, магнитные стремятся по внешнему полю, значительно его усиливая за счёт внутренней намагниченности. Однако с ростом намагничивающего тока наступает насыщение- явление, при котором все домены уже переориентированы по внешнему магнитному полю.

Если затем намагничивающий ток уменьшать, то уменьшение магнитной индукции происходит с запаздыванием и при H=0 (I=0), B=B_0, B₀ - остаточная магнитная индукция.

Для того чтобы размагнитить ферромагнетик полностью, следует создать внешнее магнитное поле обратной полярности, то есть попросту изменить направление намагничивающего тока.

Коэрцитивная сила H_c – напряжённость внешнего магнитного поля, необходимая для размагничивания ферромагнетика.

Дальнейшее перемагничивание происходит по кривой (рис. 2.5), называемой петлёй гистерезиса.

Магнитотвёрдые материалы (1) имеют большую площадь петли гистерезиса, чем магнитомягкие (2) (рис. 2.6), на их перемагничивание требуется больший расход энергии.

Рис. 2.6

6. Явление возникновения ЭДС индукции в проводнике, сцепленном с переменным магнитным полем, называется электромагнитной индукцией.

Закон электромагнитной индукции был открыт в 1831 году М. Фарадеем. В проводнике, сцепленном с переменным магнитным полем, возбуждается ЭДС индукции, равная скорости изменения магнитного потока. И если проводник замкнут в нём, возникает индукционный ток, направление которого таково, что его собственное магнитное поле мешает изменению внешнего магнитного поля.

ε_инд = −k^dΦ/_dt (2.5₎

Теперь рассмотрим модель однофазного генератора синусоидальной ЭДС.

При вращении рамки в однородном магнитном поле магнитный поток, сцепленный с контуром рамки, будет изменяться по синусному закону. Максимальным он будет, когда плоскость рамки перпендикулярна силовым линиям магнитного поля равным нулю, когда линии магнитной индукции не пересекают плоскость рамки.

Φ= Φ_мsinωt

Согласно закону электромагнитной индукции

e_инд = −k^dΦ/_dt= −E_Mcosωt = E_Msin (ωt−^∏/₂) (2.6)

ЭДС индукции тока изменяется по синусному закону, однако отстаёт от магнитного потока на четверть периода

Стрелка гальванометра при вращении рамки будет отклоняться то в одну сторону, то в другую, в соответствии с правилом Ленца. Это значит, что в цепи рамки возникает ток, изменяющийся во времени по синусному закону. Заряды внутри проводника, при этом, совершают колебательные движения под действием синусоидальной ЭДС.