Гальванометр

, Направление движения проводника

Рис. 35. При движении проводника в магнитном поле в нем образуется ЭДС

нием СИЛОВЫХ линий (рис. 35), то в проводнике также появится ЭДС, а если проводник замкнут то появится и ток. При изменении направления движения этого проводника на обратное изменится и направление тока в проводнике.

Наибольшие величины ЭДС и электрического тока получаются при движении проводника перпендикулярно к магнитным силовым линиям. При движении проводника под острым углом к силовым линиям ЭДС получается значительно меньше. Если проводник передвигать так, чтобы он совершенно не пересекал магнитных силовых линий, а только скользил вдоль них, то в нем вовсе никакой ЭДС и никакого тока не появится (рис. 36).

Возникновение ЭДС в проводнике при пересечении им магнитных силовых линий называется электромагнитной индукцией. На

этом явлении основана работа всех электрических машин, трансформаторов и многихдру-гих электрических устройств, в том числе и радиостанций.

Огромную работу по изучению электромагнетизма провел профессор Петербургского университета Эмилий Христианович Ленц. Он первый в мире глубоко исследовал явление Гал'метр электромагнитной индукции и установил, что ЭДС индукции всегда имеет такое направление, при котором созданный ею ток своим магнитным полем противодействует основному магнитному полю, вызвавшему индукцию.

Направление движения проводника

Рис. 36. Если проводник, движущийся в магнитном поле магнита, не пересекает магнитных силовых линий, то в нем ЭДС не образуется

Переменный ток

Из предшествующего раздела невольно напрашивается вывод: если в проводнике при пересечении им магнитного поля возникает электрический ток, то это явление, очевидно, можно использовать для создания источника ЭДС.

Хотя принцип такого решений и прост, практическое осуше-ствление его оказалось довольно сложным. Ведь магнитное поле значительной величины существует только между полюсами сильных магнитов, причем полюсы имеют сравнительно небольшие размеры. Следовательно, проводник не может двигаться безостановочно - только двинулся, как уже вышел за пределы сильного поля и образование ЭДС в проводнике практически прекратилось. Можно, конечно, перемещать проводник вперед и назад, не позво- ляя ему выходить за пределы поля. Но такая возвратно-поступательная форма движения крайне неудобна и невыгодна хотя бы потому, что при каждой остановкой каждом начале движения проводника приходится преодолевать его инерцию.

ю

Рис. 37. Во вращающейся в магнитном поле рамке образуется электрический ток

Поэтому, где только можно, возвратно-поступательное движение заменяют вращательным. В данном случае для этого проводник сгибают в виде рамки, которую и вращают в магнитном поле (рис.37).

При вращении рамки ее стороны пересекают магнитные силовые линии в противоположных направлениях относительно полюсов магнита и магнитного поля (левая сторона! рамки пересекает поле в направлении от нас, а правая - на нас). Поэтому ЭДС и ток также направлены в противоположные стороны (в левой стороне рамки ток идет вниз, в правой - вверх). Однако, как видно из рис. 37, стороны рамки соединены так, что ЭДС в них складываются и токи в каждый момент времени текут по проводнику рамки не навстречу один другому, а в одном направлении. - В отличие\от всех других источников электрической энергии в данном случае образуется не обычный ток, постоянный по величине и направлению, а переменный ток, который непрерывно изменяет не только свою величину, но и направление: он течет по рамке то в одну сторону, то в другую.

Рассмотрим несколько положений рамки, показанных на рис. 38. Обычно рамка вращается с равномерной скоростью. В положении / наводимая в рамке ЭДС равна нулю, так как стороны рамки не пересекают магнитных силовых линий, а лишь скользят вдоль них. В положении 2 стороны рамки уже пересекают силовые линии, хотя и не под прямым углом, вследствие чего наводимая в сторонах рамки ЭДС сравнительно невелика.

в положении 3 ЭДС достигает наибольшей величины, так как стороны рамки -пересекают магнитные силовые линии под прямым углом. При дальнейшем врашении рамки ЭДС уменьшается, поскольку стороны рамки опять начинают двигаться не под прямым углом к магнитным силовым линиям (положение 4). В положении 5 стороны рамки снова не пересекают силовых линий и наводимая ЭДС делается равной нулю.

>2

Тон на нас

Тон от нас

о

=4 время

Рис. 38. Получение переменного тока, во вращающейся рамке

При второй половине оборота величина наводимой в рамке ЭДС изменяется по тому же закону, что и в разобранных выше пяти положениях. Однако направление ЭДС будет уже обратным, так как стороны рамки переменились местами. Та сторона, которая пересекала магнитные силовые линии слева направо, теперь пересекает их справа налево, и, наоборот, та сторона, которая пересекала линии справа налево, пересекает их слева направо.

Для того чтобы более наглядно представить, как изменяется образующаяся в рамке ЭДС, обычно прибегают к графику, на котором изображают изменение величины и направления ЭДС с течением времени. Для этого по горизонтальной линии откладывают в определенном масштабе время, а по вертикальной - отрезки, пропорциональные-величине ЭДС в соответствующие моменты времени. Одно из направлений ЭДС принимают за положительное и величины этой ЭДС откладывают вверх от линии времени, а другое направление принимают за отрицательное и величины ЭДС откладывают вниз. Соединяя концы получившихся отрезков, получают кривую изменения ЭДС во времени.

На нижней части рис. 38 показана кривая изменения образующейся в рамке ЭДС в зависимости от времени за первую половину оборота рамки.

Практически, конечно, генератор переменного тока устроен значительно сложнее. Нельзя, например, присоединить провода, отводящие электрический ток от рамки, непосредственно к ее концам. Они при вращении рамки немедленно закрутились бы и оборвались. Поэтому для отвода получающегося в рамке тока концы ее

подводятся к двум изолированным металлическим кольцам, вращающимся при работе генератора вместе с рамкой. К этим кольцам прижимаются неподвижные контакты - щетки, скользящие по поверхности колец при их вращении. Через эти щетки отводится образующийся в рамке ток (рис. 39).

Для увеличения ЭДС вместо одного витка - рамки - делают много витков, образующих так называемую обмотку. Все витки обмотки соединяют так, чтобы получающиеся в каждом из них ЭДС складывались и давали необходимую общую ЭДС.

Ременная передача

Рис. 39. Модель простейшего генератора переменного тока

Для того чтобы магнитный поток без излишних потерь проходил от полюса до полюса, а следовательно, и для увеличения магнитного поля, пересекаемого витками обмотки, между полюсами магнита помещают массивный стальной цилиндр. Этот цилиндр - якорь - одновременно служит каркасом для обмотки, для чего в нем устраивают специальные пазы.

Так как сделать большие и достаточно сильные постоянные магниты довольно трудно, то обычно в генераторах переменного тока применяют электромагниты. Обмотки электромагнитов питаются от постороннего источника или от специальной электрической машины (генератора) постоянного тока, сконструированной вместе с генератором переменного тока.

Часто якорные обмотки, в которых образуется переменный ток, располагают на неподвижной части генератора - статоре, а электромагниты с их обмотками размещают на подвижной части генератора- роторе.

Амплитуда, период и частота

Вернемся к нашему простейшему генератору переменного тока, изображенному на рис. 39, и разберемся в важнейших величинах, характеризующих переменный ток.

при вращении рамки величина образующейся в ней ЭДС все время меняется. Поэтому говорить о величинах переменной ЭДС ц переменного тока, к'ак при постоянном токе, нельзя. Можно говорить лищь о величинах ЭДС и тока для каких-то определенных моментов времени. Такие значения электродвижущей силы или тОка называют мгновенными значениями.

Таким образом, при вращении рамки в магнитном поле мгновенное значение ЭДС начиная от нуля (положение /, рис. 38) постепенно увеличивается, достигает некоторой наибольшей величины, называемой амплитудой (положение 3), после чего уменьшается до нуля (положение 5). Затем ЭДС меняет свое направление, вновь начинает увеличиваться, достигает опять той же наибольшей (но обратной по знаку) величины - отрицательной амплитуды - и снова уменьшается до нуля. Далее этот процесс повторяется до тех пор, пока не прекратится вращение рамки.

Рис. 40. Графическое изображение переменной ЭДС или тока

Время, в течение которого происходит полный цикл изменения ЭДС, называется периодом переменного тока (рис. 40). Время в течение которого ЭДС успевает измениться от нуля.до максимума и опять до нуля, называется полупериодом. Число полных циклов изменения ЭДС, совершающихся в одну секунду, или, что то же самое, число периодов, содержащихся в одной секунде, называется частотой переменного тока.

Частоту принято измерять в герцах {гц). Один герц соответствует одному периоду колебаний в секунду. Если говорят, что частота переменного тока 50 гц, то это значит, что в течение одной секунды происходит 50 полных изменений (циклов) электродвижущей силы или электрического тока.

Частоты переменных токов, применяющихся в технике, очень разнообразны. Так, например, ток, повсеместно применяющийся для освещения или для приведения в действие электродвигателей, имеет частоту 50 гц (этот ток иногда называется током промышленной частоты).

Токи, применяющиеся в телефонии и проволочном вещании, имеют частоту от 50-300 гц до 3-10 кгц (кгц - килогерц; 1 кгц= 1000 гц). Это токи низкой, или звуковой, частоты.

Наконец, в радиотехнике и некоторых других областях техники применяются токи очень высоких частот - в миллионы и более герц (мегагерцы; 1 Мгц= 1 млн. гц).

Индуктивность

Выще уже говорилось о том, что электрический ток, проходя по проводу, создает вокруг него магнитное поле. В то же время магнитное поле, пересекая провода, создает в них (индуктирует) электродвижущую силу.

Магнитное поле*может пересекать провода, когда они движутся в поле или когда движется само поле в месте расположения проводов. Последнее явление происходит, в частности, при возникновении магнитного поля (при включении тока) и при его исчезновении (при выключении тока), а также при всевозможных изменениях величины поля, вызванных изменением величины тока. Во всех этих случаях в проводах, находящихся в поле, в том числе и в проводах, по которым проходит вызвавщий изменения поля ток, возникает (индуктируется) ЭДС.

Электродвижущая сила, индуктированная в проводе (катущке) под влиянием изменения ее собственного магнитного потока, называется электродвижущей силой самоиндукции.

Согласно закону Ленца электродвижущая сила самоиндукции всегда противодействует вызвавшей ее причине. Если ток в проводе возрастает, то ЭДС самоиндукции стремится задержать, замедлить это нарастание. Если ток в цепи уменьшается, ЭДС самоиндукции препятствует быстрому спаданию тока.

При питании цепи постоянным током ЭДС самоиндукции появляется и оказывает влияние на изменение тока только в моменты замыкания или размыкания цепи. Когда цепь замкнута и в ней уже установился постоянный ток, а следовательно, и создаваемое током магнитное поле постоянно, ЭДС самоиндукции не возникает.

Прямолинейный проводник имеет довольно слабое магнитное поле, и поэтому ЭДС самоиндукции невелика. Она заметно сказывается только в очень длинных проводниках. Значительная ЭДС возникает в проводниках, смотанных в катушку.

Если же в катушку ввести еще стальной сердечник, а тем более если сделать его замкнутым, то магнитное поле катушки усилится во много раз и ЭДС самоиндукции будет достигать очень большой величины по сравнению с ЭДС самоиндукции прямого провода.

Различные катушки обладают различной способностью индуктировать ЭДС самоиндукции, что зависит от числа витков, формы и конструкции катушек. Эту способность катушек называют индуктивностью. Индуктивность катушек характеризуют величиной ЭДС

самоиндукций, возникающей в катушке при изменении величины тока на один ампер в секунду.

Единицей измерения индуктивности является генри (гн).

Катушка обладает индуктивностью в один генри, если в ней при изменении величины тока на один ампер в одну секунду индуктируется ЭДС самоиндукции в один вольт.

Генри - единица отлосительно большая. Практически чаще употребляются более мелкие единицы - доли генри: одна тысячная - миллигенри {мгн) и одна миллионная - микрогенри (мкгн).

Катушки, у которых для тех или иных целей^ используется их индуктивность, в отличие от катушек другого назначения носят название катушек индуктивности.

Если в цепи постоянного тока индуктивность катушек и ЭДС самоиндукции сказываются только при включении и выключении тока, то совсем иначе обстоит дело, когда по катушке протекает переменный ток.

Переменный ток создает и переменное магнитное поле. Переменное же поле непрерывно индуктирует в катушке ЭДС самоиндукции, направленную навстречу напряжению питающего катушку генератора переменного тока и тем большую, чем больше частота переменного тока. Появление ЭДС самоиндукции приводит к тому, что при одном и том же напряжении источника электрической энергии величина переменного тока, протекающего через катушку, получается меньше величины постоянного тока. Исходя из закона Ома, можно сделать вывод, что сопротивление одной и той te катушки переменному току больше, чем постоянному, так как при одинаковых напряжениях постоянный ток имеет большую величину, чем переменный.

Если бы удалось сделать такую катушку, которая совсем не оказывала бы сопротивления постоянному току, то при включении ее в цепь переменного тока она все равно оказывала бы этому току сопротивление, называемое индуктивным сопротивлением.

Индуктивное сопротивление катушки зависит от величины индуктивности катушки и пропорционально частоте переменного тока.

Поэтому там, где необходимо возможно большее сопротивление переменному току применяют катушки со стальными замкнутыми сердечниками. Способность катушек оказывать переменному току значительно большее сопротивление, чем постоянному, позволяет использовать их в тех случаях, когда требуется отделить переменный ток от постоянного. В радиотехнике катушки, используемые для этой цели, носят название дросселей.

Казалось бы, что идея применения стальных сердечников для увеличения индуктивности катушек исключительно, заманчива. Ведь можно получить необходимую индуктивность в сравнительно небольших катушках с малым количеством витков. Но, оказывается, применение стали связано с рядом неудобств. Из них прежде всего следует отметить большие потери энергии в стальном сердечнике. Эти потери резко возрастают с увеличением частоты переменного тока. Поэтому сердечники из обычной мягкой стали

можно применять только в цепях с относительно низкой частотой (не выше нескольких десятков тысяч герц).

Одна из причин потерь в сердечнике - появление в нем самом совершенно бесполезных вихревых токов (поскольку сердечник тоже находится в переменном магнитном поле, в нем индуктируется-ЗДС, вызывающая появление этих токов). Чтобы уменьшить величину вихревых токов, сердечники катушек делают из тонких изолированных один от другого стальных листов. Но на высоких частотах и эта мера предосторожности не помогает, поэтому стали делать катушки либо вовсе без сердечников, либо изготовлять сердечники из специал'ьных веществ, состоящих из тончайшего железного порошка, скрепленного особой изолирующей массой. В таких веществах каждая мельчайшая пылинка железа изолирована от других, к поэтому в них не могут образоваться вихревые токи большой величины, а следовательно, и потери будут незначительны. К таким веществам относятся магнетит, альсифер, карбонильное железо, ферриты.

Другая причина потерь в стали - необходимость затраты энергии на перемагничивание стали. Полностью устранить потери на перемагничивание невозможно, и поэтому стремятся применять для сердечников катушек такие сорта стали, в которых эти потери были бы наименьшими.

А

Трансформаторы

Одним из важнейших преимуществ переменного тока перед постоянным является легкость и простота, с которой можно преобразовывать переменный ток одного напряжения в переменный ток

другого напряжения. Достигается это посредством простого и 12 остроумного устройства - трансформатора, изобретенного в 1876 г. замечательным русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым.

Трансформатор представляет собой сердечник из тонких стальных изолированных одна от другой пластин, на котором помещаются две, а иногда и больше обмоток из изолированного провода. Обмотка, к которой присоединяется источник электрической энергии переменного тока, называется первичной обмоткой, остальные обмотки - вторичными (рис. 41).

Если во вторичной обмотке трансформатора намотать в три раза больше витков, чем в первичной, то магнитное поле, созданное в сердечнике первичной обмоткой, пересекая витки вторичной обмотки, создаст в ней в три раза большее напряжение.

Применив трансформатор с обратным соотношение! витков, можно так же легко и просто получить пониженное напряжение.

Рис. 41. Устройстэо и схематическое изображение трансформатора

с допустимой для практики точностью можно считать, что отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной равно отношению приложенного напряжения к выходному.

Это отношение, называемое коэффициентом трансформации, обычно сокращают на меньшее из чисел, и тогда коэффициент трансформации получается в виде отношения единицы к некоторому числу (1:4; 1:50) или, наоборот, некоторого числа к единице (4:1; 50: 1).

В радиоаппаратуре трансформаторы используются в первую очередь в питающих устройствах, позволяющих питать приемники от осветительной сети переменного тока. Такие трансформаторы называются сетевыми или силовыми. Кроме того, трансформаторы используются для понижения и повышения напряжений различной частоты в усилителях и радиоприемниках. Для низких (звуковых) частот эти трансформаторы изготовляются с сердечниками из листовой стали.

Для токов сравнительно высокой частоты трансформаторы, как и катушки индуктивности, делают или совсем без стальных сердечников, или с сердечниками из магнетита, альсифера, карбонильного железа и других специальных материалов.

Иногда для экономии провода и стали применяют трансформаторы, в которых одна обмотка является частью другой. Такие трансформаторы, называемые автотрансформаторами, могут повышать напряжение, для чего обмотка, включаемая в сеть, должна составлять часть обмотки, дающей выходное напряжение, и понижать его, для чего обмотка, с которой снимается напряжение, должна составлять часть сетевой обмотки.

Применение автотрансформаторов в радиоприемниках связано с некоторыми неудобствами, поэтому в любительских и улучшенных промышленных радиоприемниках автотрансформаторы широкого распространения не получили. В основном они нашли применение в дешевых массовых промышленных приемниках, а также в качестве устройств для поддержания необходимого напряжения при питании радиоприемников от осветительной сети, напряжение которой подвержено колебаниям.

Трехфазный ток. Применение переменного тока

Возможность без значительных потерь и сравнительно простыми средствами (при помощи трансформаторов) изменять напряжение переменного тока сделала этот ток самым распространенным видом электрической энергии. Особенно широко используется в наши дни трехфазный переменный ток. В генераторах трехфазного тока имеются три независимые обмотки, смещенные одна относительно другой на одну треть окружности (рис. 42). Эти обмотки и потребители электроэнергии обычно соединяются так, что для передачи тока от генератора к потребителям достаточно только трех проводов.

Один из вариантов соединения обмоток генератора трехфазного тока и потребителей - соединение треугольником -показан на

Рис. 42. Устройство генератора трехфазного переменного тока

рис. 43. Другой вариант - соединение звездой , - применяющийся в основном для питания электродвигателей, показан на рис, 44.

Обмотки генератора

Потреби-(S тела (электролампы) л

Рис. 43. Соединение обмоток генератора трехфазного тока и потребителей треугольником

Идею передачи переменного тока на большие расстояния впервые предложил талантливый русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский. На международной электротехнической выставке он наглядно доказал- всему миру возможность практического применения переменного тока и его исключительные