Генерирование электрического тока. Использование электромагнитной индукции. Трансформатор. Передача электрической энергии на расстояние.

На данном занятии рассматривается история открытия, а также устройство и принцип действия простейшего трансформатора. Узнаем, какими же способами происходит передача электрической

В прошлых темах говорилось о таком явлении, как электромагнитная индукция. Явление электромагнитной индукции заключается в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока.

Полученный таким способом ток называется индукционным током.

В рамках данной темы будет рассмотрено устройство простейшего трансформатора, работа которого, основана на изучаемом нами явлении. А так же рассмотрим способы передачи электрической энергии на большие расстояния.

Рассмотрим ещё раз получение индукционного тока в катушке с помощью перемещения относительно нее постоянного магнита. Но теперь будем периодически двигать магнит вверх и вниз в течение нескольких секунд.

Видно, 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 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.

Ранее рассматривался пример получения индукционного тока в плоском контуре при вращении внутри него магнита. На этом принципе и работает электромеханической 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 прочее).

Во внутренней его части прорезаются пазы, в которые укладывается толстый медный провод. Именно в них и индуцируется переменный электрический ток при изменении пронизывающего их магнитного потока.

Магнитное поле создается ротором. 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 показана полная схема генератора переменного тока. 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.

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. Этот выбор был сделан с участием русского ученого Михаила Осиповича Доливо-Добровольского.

Частота в 50 Гц означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз течет в одну сторону и 50 раз в другую.

В США по рекомендации известного ученого Тесла, работавшего в фирме Вестингауз, основным производителем тогда электромагнитной техники, стандартная частота переменного тока равна 60 Гц.

Таким образом, электрическую энергию производят на электростанциях. Но ее каким-то образом надо передать потребителям, часто находящимся очень далеко от станции. Для этого между станцией и потребителем строят линии электропередач (сокращенно ЛЭП).

При передаче электроэнергии неизбежны потери, связанные с нагреванием проводов. Чем дальше от электростанции находится потребитель тока, тем больше энергии тратится на нагревание проводов и тем меньше доходит до потребителя.

Уменьшение потерь электроэнергии при ее передаче от электростанций к потребителям является важной народнохозяйственной задачей.

Из закона Джоуля-Ленца следует, что уменьшить потери можно либо за счет уменьшения сопротивления проводов, либо уменьшения силы тока в них.

Сопротивление проводов будет тем меньше, чем больше площадь их поперечного сечения и чем меньше удельное сопротивление металла, из которого они изготовлены. Провода делают из меди или алюминия, так как среди относительно недорогих металлов они обладают наименьшим удельным сопротивлением.

Увеличивать же толщину проводов экономически невыгодно, т.к. это ведет к перерасходу дорогостоящего цветного металла, а также возникновению трудностей при закреплении проводов на столбах. Поэтому такой способ снижения потерь практически невозможен.

Поэтому существенного снижения потерь можно добиться только за счет уменьшения силы тока.

Но приданной мощности уменьшение силы тока возможно лишь при увеличении напряжения.

Без такого преобразования силы тока и напряжения передача электроэнергии на большие расстояния становится невыгодной из-за существенных потерь.

Так, электроэнергия Волжской ГЭС передается в Москву при напряжении 500 кВ, от Саяно-Шушенской ГЭС — при напряжении 750 кВ. Хотя на самих электростанциях генераторы вырабатывают электрическую энергию при напряжениях, не превышающих 20 кВ.

Решение этой важнейшей технической задачи стало возможным только после изобретения трансформатора — устройства, служащего для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.

Первый трансформатор был изобретен в 1876 г. русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым. А первый технический трансформатор впервые создал Иван Филиппович Усагин в 1882 г.

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции.

Простейший трансформатор представляет собой две изолированные друг от друга катушки (их еще называют обмотками), намотанные на общий замкнутый сердечник. По одной из обмоток (первичной) пропускается преобразуемый переменный ток, а вторичная обмотка соединяется с потребителем.

Ток в первичной обмотке создает в сердечнике переменный магнитный поток, который возбуждает ток самоиндукциив каждом витке первичной катушки. Этот же магнитный поток пронизывает витки вторичной катушки и создает в каждом ее витке индукционный ток.

Отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной называют коэффициентом трансформации.

Если коэффициент трансформации меньше единицы, то трансформатор называется повышающим, а если больше единицы — понижающим.

Коэффициент трансформации определяется обычно при холостом ходе трансформатора, т.е. при разомкнутой цепи вторичной обмотки.

Рассмотрим передачу электроэнергии от электростанции к месту ее потребления. Как говорилось ранее, напряжение, вырабатываемое генератором, обычно не превышает 25 киловольт. А для оптимальной передачи электроэнергии на большие расстояния требуется напряжение порядка сотен киловольт. Поэтому ток с электростанции сначала подается на расположенную неподалеку повышающую трансформаторную подстанцию, где напряжение повышается до нескольких сотен киловольт, и под таким напряжением подается в линии электропередач. Поскольку такое высокое напряжение не может быть предложено потребителю, то в конце линии его подают поочередно на несколько трансформаторных подстанций, понижающих напряжение до 380 Вольт или 220 Вольт, а затем — на предприятия или в жилые дома.

Однако не вся энергия, вырабатываемая генератором, передается потребителю. Часть энергии тратится еще при ее производстве. Также, энергия теряется непосредственно в линии электропередач. При работе трансформатора так же имеются потери на нагревание обмоток трансформатора, на рассеивание магнитного потока в пространство, на вихревые токи Фуко в сердечнике и его перемагничивание.

Для уменьшения этих потерь принимаются следующие меры:

1) обмотка низкого напряжения делается большего сечения, так как по ней проходит ток большей силы;

2) сердечник делают замкнутым, что уменьшает рассеивание магнитного потока;

3) сердечник делают из изолированных пластин для уменьшения токов Фуко.

Благодаря этим мерам коэффициент полезного действия современных трансформаторов достигает 95—99%.

Следует добавить, что трансформаторы нашли широкое применение в быту. Например, при подзарядке сотового телефона имеющийся в зарядном устройстве трансформатор понижает напряжение, полученное из осветительной сети и равное 220 Вольт, до 5.5 Вольт, пригодного для телефона. В телевизоре имеется несколько трансформаторов (как понижающих, так и повышающих), поскольку для питания различных его узлов требуется напряжение от 1,5 В до 25 кВ.

Основные выводы:

– Трансформатор — это устройство, служащее для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.

– Любой трансформатор характеризуется коэффициентом трансформации, т.е. отношением числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной.

Решение задач

Задача 1. Как, вы думаете, что будет, если первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока?

Задача 2. Если сопротивление первичной обмотки, подключенной к источнику постоянного тока велико, то изменится ли напряжение во вторичной обмотке?

Задача 3. Сколько витков должна иметь вторичная обмотка трансформатора, чтобы повысить напряжение с 220 до 11000В, если в первичной обмотке 20 витков? Каков коэффициент трансформации?

Задача 4. Под каким напряжением находится первичная обмотка трансформатора, имеющая 1000 витков, если во вторичной обмотке 3500 витков и напряжение 105В?

Задача 5. Мощность, потребляемая трансформатором, 90 Вт. Определите силу тока во вторичной обмотке, если напряжение на зажимах вторичной обмотки 12 В и КПД трансформатора 95%.